Gymnasium Niedersachsen Aufgabenlösungen

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unter Mitarbeit von
Thorsten Frankenberg
Rainer Hausfeld
Daniel Klaßen
Isabel Lisbach
Jörn Peters
Martin Ratermann
Eckhart Schröder
Wolfgang Schulenberg
Franz Stoppel
Henning Teschner
Gymnasium Niedersachsen
Aufgabenlösungen
Autor
Rüdiger Schmalz
© 2015 Bildungshaus Schulbuchverlage
Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH,
Braunschweig
www.westermann.de
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Druck A1 / Jahr 2015
Alle Drucke der Serie A sind im Unterricht parallel verwendbar.
Redaktion: Dr. Barbara Lübben
Grafiken: Julius Ecke, www.naturstudiendesign.de
Christine Henkel, Dahmen
Satz: Grepect GmbH, Garbsen
Umschlaggestaltung und Typographie: Jennifer Kirchhof
Druck und Bindung: westermann druck GmbH, Braunschweig
ISBN 978-3-14-150634-1
Inhaltsverzeichnis
M
M
Aufgaben richtig verstehen 5
Arbeiten mit Basiskonzepten 5
1
Lebewesen bestehen aus Zellen
1.1
M
1.4
Das Mikroskop als naturwissenschaftliches
­ rbeitsgerät 5
A
Pflanzen- und Tierzellen 6
Einzellige Lebewesen –
das Pantoffeltierchen 7
Mikroskopieren 8
Zellen, Gewebe, Organ, Organismus 8
2
Fotosynthese und Zellatmung
M
Naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung 9
Blätter – Orte der Fotosynthese 10
Fotosynthese 11
Glucose wird in zahlreiche Stoffe ­
umgewandelt 12
Die Bedeutung der Fotosynthese für die
Erde 13
Energie 14
Sauerstoff ist lebenswichtig –
die Zellatmung 15
Fotosynthese und Zellatmung 16
Wiederholen mit Basiskonzepten 17
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
B
4
Ökosystem Wald
4.1
M
4.2
4.3
M
4.4
4.5
Wälder sind verschieden 28
Walderkundung 29
Der Wald ist ein Ökosystem 30
Leben im Waldboden 30
Ein Lernplakat erstellen 31
Lichtverhältnisse im Wald 32
Standortansprüche von Rotbuche und
­Waldkiefer 34
4.6 Spechte vermeiden Konkurrenz 35
4.7 Schnabelformen und Angepasstheiten 37
4.8 Konkurrenz und ökologische Nischen 38
4.9 Vielfalt der Arten 39
4.10 Nahrungsnetze in einem Mischwald 41
4.11 Stoffkreisläufe 42
4.12 In Nahrungsketten fließt Energie 43
5
Ökosystem See
5.1
5.2
5.3
5.4
Lebensraum Süßwasser 45
Nahrungsbeziehungen im See 46
Zonen im See 47
Fressen und gefressen werden –
der ­Wasserfloh 49
Stoffkreislauf im See 50
Überdüngung eines Sees 52
5.5
5.6
3Insekten gehören zu den Gliederfüßern
3.1
3.2
3.3
3.4
M
3.5
3.6
B
Äußerer und innerer Bau von Insekten 20
Insekten sind Ernährungsspezialisten 21
Ein Jahr im Bienenstaat 23
Verständigung bei Bienen 24
Ordnen mit geeigneten Kriterien 25
Der Stamm der Gliederfüßer 26
Beutefang von Spinnen 26
Wiederholen mit Basiskonzepten 27
3
6Nachhaltigkeit
8Ernährung
6.1
6.2
6.3
6.4
M
8.1
8.2
8.3
M
8.4
8.5
M
Ernährung im Wandel 77
Gesunde Ernährung, aber wie? 78
Nahrung versorgt den Körper mit Energie 80
Versuche durchführen 81
Wirkung von Enzymen 82
Verdauung im Überblick 83
Concept-Map 83
9
Herz und Blutkreislauf
9.1
9.2
9.3
Aufgaben des Blutes 84
Blutkreislauf 85
Mit dem Blut werden Atemgase
transportiert 86
Bau und Leistung des Herzens 87
Anpassungen an körperliche
Anstrengungen 89
Zusammenwirken von Organen bei
­körperlichen Anstrengungen 91
Herz-Kreislauf-Erkrankungen 93
Risiko und Wahrscheinlichkeit 94
Wiederholen mit Basiskonzepten 95
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
M
B
Wälder verändern sich 53
Nachhaltige Entwicklung 54
Vom natürlichen Wald zur Waldwirtschaft 54
Bedeutung des Waldes für den Menschen 55
Bewerten und entscheiden in ökologischen
­Zusammenhängen 58
Tropischer Regenwald in Gefahr 59
Wälder im Stress 60
Ausbreitung nichtheimischer Pflanzen- und
Tierarten 61
Auswirkungen menschlicher Einflüsse auf die
Artenvielfalt 63
Bevölkerungsentwicklung, Gesundheit und
Nachhaltigkeit 65
Mathematische Verfahren verdeutlichen
­ökologische Zusammenhänge 66
Wiederholen mit Basiskonzepten 68
9.4
9.5
9.6
7Atmung
7.1
7.2
7.3
7.4
M
4
Eigenschaften und Zusammensetzung der ­
Luft 69
Wie wir ein- und ausatmen 70
Gasaustausch in der Lunge 72
Rauchen macht süchtig 74
Modelle: Körpergröße und Wärmehaushalt 75
9.7
M
B
M
Aufgaben richtig verstehen
–
B
Arbeiten mit Basiskonzepten
–
1
Lebewesen bestehen aus Zellen
1.1Das Mikroskop als naturwissenschaftliches
­Arbeitsgerät
1.
Hooke und die Entdeckung der Zellen
Abb. 1, 2, 3
Grundwissen
Van Leeuwenhoeks neue Theorie zur
Entstehung von Leben
4.
Virchow: Die Zelle als Grundeinheit
der Organismen
Grundwissen
Modell der Zelle
3.
Grundwissen
Abb. 5
Mikroskopieren mit dem
­Lichtmikroskop
1., 2.
Abb. 4, 6, 7
Beim Mikroskopieren kann immer nur eine Bildebene scharf gestellt werden. Da das mikroskopierte
Präparat aber dreidimensional ist, sind z. T. auch
über- und unterhalb der Bildebene liegende Strukturen noch sichtbar, allerdings nur unscharf.
In (a) verläuft der Fokus etwa duch die Mitte der
gezeigten Zellschicht. In dieser Schärfeebene sind
nur in der Nähe der Zellwände deutlich Chloroplasten sichtbar (In der Mitte sind keine Chloroplasten
zu sehen, da sich hier die Vakuole befindet). In (b)
sind viel mehr Choroplasten sichtbar. Hier liegt die
Schärfeebene etwas höher oder tiefer als in (a),
in der Nähe der Zellwände und damit über- oder
unterhalb der Vakuole. Die Chloroplasten, die in
(a) scharf eingestellt waren, sind nun nur noch als
verschwommene grüne Flecken zu erahnen.
2.
Zellmembran
Weiterentwicklung der Mikroskope
Grundwissen
Cytoplasma
Zellkern
5
3.
Der Schuhkarton entspricht der Zellwand (nur bei
Wasserpest, Pflanzenzellen).
Der Gefrierbeutel entspricht der Zellmembran.
Die Kastanie entspricht dem Zellkern.
Erbsen entsprechen den Chloroplasten (nur bei
Wasserpest, Pflanzenzellen).
4.
Redi wollte mit dem Experiment die damals noch
gängige Meinung zur Entstehung von Leben widerlegen. Wenn Maden von allein in verfaulendem Fleisch
entstehen, dann hätten in allen drei Töpfen Maden
auftauchen müssen – Redi fand diese aber nur in dem
offenen Topf ohne Gaze. Erklärung aus heutiger Sicht:
In einem vollständig verschlossenen Topf können
sich keine Fliegenmaden befinden, da keine Fliegen
an das Fleisch gelangen und dort ihre Eier ablegen
können. Da die Maden aus den Eiern von Fliegen
schlüpfen, können sich dort keine Maden befinden.
Im mit Gaze verschlossenen Topf können ebenfalls
keine Fliegenmaden entstehen, da die Fliegen durch
die feinen Maschen nicht hindurchpassen und deshalb keine Eier auf das Fleisch ablegen können.
Nur im unverschlossenen Topf gelangen Fliegen an
das Fleisch und können dort ihre Eier ablegen, aus
denen sich die Maden entwickeln. Die frühere Ansicht, dass Fliegen von sich aus allein in verfaulendem Fleisch entstehen, konnte von Redi mit diesem
Versuch widerlegt werden.
1.2 Pflanzen- und Tierzellen
2.
Pflanzenzelle: Struktur und Funktion
der Zellbestandteile
Abb. 1
Tierzelle: Strukturelle Unterschiede
zur Pflanzenzelle
1., 2.
Gemeinsamkeiten von Tier- und
Pflanzenzelle
Grundwissen
Pflanze oder Tier? Euglena
Abb. 1, 2, 3, 5
3.
Abb. 4
1.
Gemeinsamkeiten:
Zellmembran,
Zellkern,
Cytoplasma
6
Unterschiede:
Pflanzenzelle:
Zellwand,
Chloroplasten,
große Vakuole
a) Individelle Lösung.
b) Im linken Bild sind Chloroplasten und eine Zellwand zu erkennen, es handelt sich um eine Pflanzenzelle. Im rechten Bild c fehlen Zellwand und
Chloroplasten, deshalb handelt es sich um Tierzellen. Im mittleren Bild sind zwar keine Chloroplasten
zu sehen, aber die Zellen sind durch Zellwände
begrenzt, deshalb müssen es Pflanzenzellen sein.
3.
Euglena kann nicht eindeutig den Pflanzen oder
den Tieren zugeordnet werden. Es gibt Merkmale,
wie den Augenfleck oder das Fehlen von Vakuole
und Zellwand, die für ein Tier sprechen. Es gibt
aber auch Merkmale, wie das Vorhandensein von
Chloroplasten, die für eine Pflanze sprechen.
Mögliche Hypothese: Zahlenmäßig überwiegen zwar
die Merkmale, die dafür sprechen, dass Euglena
ein Tier ist. Aufgrund der Tatsache, dass Euglena
jedoch Fotosynthese wie alle Pflanzen betreiben
kann, gehört es eher zu den Pflanzen. Tierische
Zellen sind nicht zur Fotosynthese befähigt.
1.3 Einzellige Lebewesen – das Pantoffeltierchen
1.
Kennzeichen des Pantoffeltierchens
Abb. 2
Einzeller – als einzelne Zelle
­lebensfähig
1.
Vergleich von Einzeller und Vielzeller
2.
Abb. 2-6
Räuber-Beute-Verhältnis unter
­Wimpertierchen
3.
Zu den wichtigsten Kennzeichen der Lebewesen
gehören:
–selbstständige Bewegung
–Reaktion auf Reize
–Stoffwechsel
–Fortpflanzung
Alles trifft auf das Pantoffeltierchen zu. Es kann
sich mit Hilfe der Wimpern fortbewegen; es ändert
die Richtung, wenn es auf ein Hindernis stößt, es
reagiert auf bestimmte Stoffe, auf Temperaturunterschiede im Wasser, auf die Richtung der Schwerkraft; es nimmt Stoffe auf, verdaut sie und scheidet
die Reste aus; es pflanzt sich fort.
2.
Bewegung
Reizbarkeit
Pantoffeltierchen (Einzeller)
über Wimpern an/in der Zellmembran
reagiert auf Berührung, Temperaturunter­
schiede und auf einige chemische Stoffe
Hund (Vielzeller)
auf vier Beinen
Bessere Wahrnehmung, Sinnes­organe, z. B. für
­Berührung, Geruch, Temperatur, Hören, Sehen
Mund → Verdauung innerhalb von
­Nahrungsbläschen → Ausscheidung von
­Stoffen über den Zellafter und von ­Wasser
über die pulsierenden Bläschen
Fortpflanzung ungeschlechtlich durch Teilung, manchmal auch geschlechtlich
Kreislauf­
–
system
Mund → Verdauung in einem aus verschiedenen
­Organen bestehenden Organsystem → Ausscheidung
von Stoffen über Kot und Harn
3.
Die Nasentierchen vermehren sich auch durch
Zweiteilung. Sie ernähren sich von den Pantoffeltierchen. Daher wird sich die Zahl der Pantoffeltierchen verringern und die der Nasentierchen zuerst erhöhen. Je mehr Nasentierchen es gibt, desto
­weniger Pantoffeltierchen wird es geben. Irgendwann sind keine Pantoffeltierchen mehr vorhanden, da sie schneller gefressen werden als sie sich
vermehren können. Die Nasentierchen verhungern
dann, sodass deren Zahl ebenfalls wieder sinkt.
Hinweis: In natürlicher Umgebung führen typische
Räuber-Beute-Beziehungen nicht zur vollständigen
Dezimierung der Beutepopulation. In der Versuchsumgebung ist dieses Ergebnis allerdings zu erwarten.
Stoffwechsel
Individuelle Lösung, z. B.:
immer geschlechtlich
Kreislaufsystem mit Herz und Blutgefäßen, zur
­besseren Verteilung der Stoffe im Körper
7
MMikroskopieren
1. - 3.
Individuelle Lösungen.
1.4 Zellen, Gewebe, Organ, Organismus
Gemeinsamkeiten und ­Unterschiede
in Bezug auf Bau und Funktion
­spezialisierter Zellen.
1.
Abb. 1, 3
Der Begriff „System“
3.
Abb. 2
Unterschiede
–Bei den roten Blutzellen findet man keinen Zellkern.
– Die äußere Form der verschieden spezialisierten Zellen ist sehr
unterschiedlich.
– Die Aufgaben sind sehr verschieden: Sie reichen von Informationsweiterleitung bei Nervenzellen bzw. Aufnahme von Reizen
bei Sinneszellen über Kontraktion bei Muskelzellen und Transport
von Sauerstoff bei den roten Blutzellen bis hin zur Fortflanzung
und der Abwehr von Fremdkörpern und Krankheitserregern bei
­Geschlechtszellen bzw. weißen Blutzellen.
2.
Zelle → Gewebe → Organ → Organsystem → Orga­
nismus
Sinneszelle → Netzhaut = Auge → Nervensystem
→ Mensch
Muskelzelle → Muskel → Skelettmuskel → Bewegungssystem → Mensch
Weiße Blutzelle → Blut → Immunsystem → Mensch
3.
Individuelle Lösung, z. B.:
Die Zelle ist ein System. Sie besteht aus verschiedenen Zellorganellen, die sich im Cytoplasma befinden. Jedes Zellorganell hat eine bestimmte Aufgabe.
Zwischen den Zellorganellen gibt es auch Beziehungen und Wechselwirkungen. Der Zellkern zum
8
2.
Abb. 4
1.
Gemeinsamkeiten
Aufbau – Alle spezialisierten Zellen besitzen, abgesehen von den roten
Blutzellen, einen Zellkern, die
Zellmembran und das Zellplasma.
Funktion – Alle Zellen haben eine spezielle
Aufgabe bzw. Funktion.
Hierarchie: von der Zelle zum
­Organismus
Beispiel ist von einer Membran umgeben und enthält die Erbinformationen der Zelle. Er steuert alle
Lebensvorgänge innerhalb der Zelle.
Auch der Organismus ist ein System. Er besteht aus
verschiedenen Organen und Organsystemen, die
ebenfalls eine bestimmte Aufgabe erfüllen und zwischen denen es auch Wechselwirkungen und Beziehungen gibt. Der Magen als Organ besteht z. B. aus
verschiedenen Gewebetypen, die gemeinsam die Aufgabe der Verdauung erfüllen. Bei der Verdauung spielen zudem noch andere Organe eine Rolle, wie zum
Beispiel der Mund mit Zähnen und Speicheldrüsen
sowie der Dünn- und Dickdarm. Die Verdauungsorgane ergänzen sich mit ihren einzelnen Aufgaben. So
wird die Verdauung gewährleistet und der Organismus mit energiereichen Nährstoffen versorgt.
2
Fotosynthese und Zellatmung
M
Naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung
1.
a) Van Helmont.
Beobachtung: Pflanzen wachsen und nehmen dabei
an Größe und Masse zu.
Hypothese: Pflanzen benötigen für das Wachstum
Stoffe aus dem Erdboden und aus dem Wasser.
Erkenntnis: Der Massezuwachs beim Pflanzenwachstum ist in erster Linie in der Aufnahme von
Wasser und nur zu einem geringen Teil aus der
Aufnahme von Stoffen aus dem Boden begründet.
Priesley.
Hypothese: Für die Lebensvorgänge nehmen Pflanzen und Tiere auch Stoffe aus der Luft auf.
Erkenntnis: Tiere überleben in luftdicht abgeschlossenen Räumen sehr viel länger, wenn Pflanzen anwesend sind. Licht beeinflusst die Vorgänge.
b) Versuch 2a-c:
Lavoisier: Die Verbrennung wird durch das Gas Sauerstoff ermöglicht. Sauerstoff ist ein Bestandteil der
Luft und ist darin nur in bestimmter Menge enthalten. Die Versuche 2b und 2c ermöglichen die
Hypothese, dass eine Maus für ihre Lebensvorgänge
Sauerstoff aus der Luft benötigt.
Versuch d:
Ingenhousz: Pflanzen stellen im Licht mit ihren grünen Pflanzenteilen Sauerstoff her. Die Maus in Versuch d wurde nicht ohnmächtig, da der benötigte
Sauerstoff von den grünen Blättern der im Gefäß
vorhandenen Pflanze produziert wurde. Licht war
offensichtlich im Versuch vorhanden.
Senebier: Der im Versuch 2d von der Pflanze produzierte Sauerstoff konnte von der Pflanze nur unter
der Voraussetzung hergestellt werden, dass Licht
und das durch die Atmung der Maus freigesetzte
Gas Kohlenstoffdioxid in der Luft vorhanden waren.
c) Weg der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung zum Faktor Licht:
1. Beobachtung oder Phänomen: Priestley entdeckte, dass Tiere in luftdicht abgeschlossenen Räu-
men sehr viel länger überleben, wenn Pflanzen
anwesend sind. Er beobachtete auch, dass seine
Versuche abends oder nachts anders abliefen
als am Tag. Lavoisier berichtet, dass Lebewesen
zum Atmen Sauerstoff brauchen.
2. Formulierung des Phänomens: Licht und Dunkelheit beeinflussen den Gasaustausch von grünen Pflanzen.
3. Aufstellen der Problemfrage: Wie ändert sich die
Zusammensetzung der Luft durch die Lebenstätigkeit von grünen Pflanzen mit und ohne Licht?
4. Formulierung von Hypothesen:
Hypothese 1: Die grüne Pflanze produziert nur
im Licht Sauerstoff.
Hypothese 2: Die grüne Pflanze produziert ohne
Licht Kohlenstoffdioxid.
5. Entwicklung der Lösungsstrategie: Die Anteile
von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid in der Luft
werden ermittelt. Zwei Versuche werden durchgeführt. In Versuch 1 wird eine grüne Pflanze in
normaler Luft in ein luftdicht abgeschlossenes
Glasgefäß gebracht und über einen bestimmten
Zeitraum belichtet. Versuch 2 wird unter Lichtabschluss, sonst aber wie Versuch 1 durchgeführt. Die Konzentrationen von Sauerstoff und
Kohlenstoffdioxid werden jeweils vor Versuchsbeginn und nach Versuchsende bestimmt.
6. Durchführung der Untersuchungen: Die Durchführung der Versuche erfolgt nach der Beschaffung aller notwendigen Chemikalien, Gerätschaften und Nachweismethoden für Sauerstoff
und Kohlenstoffdioxid.
7. Formulierung eines Ergebnisses unter Rückbezug
auf die Hypothesen: Die Versuche zeigen, dass
die untersuchten grünen Pflanzen nur im Licht
Sauerstoff herstellen, im Dunkeln dagegen laufend Kohlenstoffdioxid abgeben. Die Hypothesen sind bestätigt.
8. Erweiterung der Ergebnisse: Können die Versuche mit gleichen Ergebnissen grundsätzlich
wiederholt werden, ist eine Erweiterung der Ergebnisse auf alle grünen Pflanzen möglich.
9
9. Erkenntnisgewinn – Verallgemeinerung: Grüne
Pflanzen können nur im Licht Sauerstoff herstellen, im Dunkeln wird dagegen laufend Kohlenstoffdioxid abgeben.
Hinweis: Der Erkenntnisgang untersucht ausschließlich den Faktor Licht. Untersuchungen hinsichtlich des Faktors „Grün“ erfordern eine veränderte Planung, die dem grundsätzlichen Erkenntnisgang folgt.
2.
Fragestellung: Benötigen Pflanzen zur Herstellung
von Sauerstoff einen bestimmten Stoff aus der Luft?
Hypothese: Pflanzen benötigen zur Herstellung von
Sauerstoff Kohlenstoffdioxid aus der Luft.
Versuchsaufbau: Es werden zwei Versuche durchgeführt. In Versuch 1 wird eine grüne Pflanze in ein
luftdicht abgeschlossenes Glasgefäß mit normaler
Luft gebracht und über einen bestimmten Zeitraum
belichtet. In Versuch 2 ist der Aufbau entsprechend,
jedoch wird die Luft durch eine Gaswaschflasche
mit Kalkwasser in das Versuchsgefäß geleitet. Dadurch wird Kohlenstoffdioxid aus der Luft entfernt.
Die Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid werden jeweils vor Versuchsbeginn und
nach Versuchsende bestimmt.
2.1 Blätter – Orte der Fotosynthese
Mikroskopieren eines Blattquerschnitts
1.
Das Laubblatt als Pflanzenorgan
2.
Abb. 3
Abb. 1
Chloroplastenhaltige Zellen des
Sternmooses
3.
Angepasstheiten beim Teichfaden
4.
Abb. 2
Abb. 4
1.
Individuelle Lösung.
2.
Laubblätter sind aus Zellen aufgebaut, die mehrere unterschiedliche Gewebe bilden. Durch die besondere Struktur dieser Gewebe ist das Blatt ein
leistungsfähiges Organ, das hervorragend an seine
Funktion bei der Fotosynthese angepasst ist. Durch
Kompartimentierung erfolgt eine räumliche Aufteilung, so dass verschiedene Vorgänge gleichzeitig
ablaufen können, ohne sich gegenseitig zu stören.
10
Auch die einzelnen Zellen sind in verschiedene Teilräume, die Zellorganellen, gegliedert.
Die Oberfläche des Blattes wird von der Kutikula
umgeben. Sie wird von den Zellen des Abschlussgewebes, der Epidermis, gebildet. Die Epidermis begrenzt das Blatt an der Ober- und Unterseite. In der
unteren Epidermis befinden sich viele Spaltöffnungen
mit Schließzellen. Das Palisadengewebe mit gestreckten, regelmäßig angeordneten chloroplastenhaltigen
Zellen befindet sich unterhalb der oberen Epidermis.
Das Schwammgewebe mit unregelmäßigen chloroplastenhaltigen Zellen befindet sich unterhalb des
Palisadengewebes. Es ist mit großen luftgefüllten Interzellularen durchsetzt, die in Verbindung mit den
Spaltöffnungen stehen. Über die Spaltöffnungen wird
der Gasaustausch zwischen dem „Blattinnenraum“
und der Umgebung kon­trolliert.
3.
Individuelle Lösung.
4.
Gemeinsamkeiten: Epidermis, Leitbündel, chloroplastenhaltiges Gewebe unterhalb der Epidermis,
Interzellularen im chloroplastenhaltigen Gewebe.
Unterschiede: In der Epidermis des Teichfadenblattes befinden sich keine Spaltöffnungen. Es gibt
keine Kutikula. Es wird nicht in Palisaden- und
Schwammgewebe unterschieden. Die Zellen ent-
halten nicht so viele Chloroplasten. Im Gegensatz
zum typischen Laubblatt befinden sich im Blatt des
Teichfadens zwei sehr große, mit Luft gefüllte Interzellularen. Das Blatt des Teichfadens ist viel dünner
als das typische Laubblatt.
Angepasstheiten beim Blatt des Teichfadens: In den
beiden großen Interzellularen kann Luft gespeichert
werden, was zu einem Auftrieb der Blätter führt,
sodass diese aufrecht im Wasser stehen. Kutikula
und Spaltöffnungen fehlen. Das zur Fotosynthese
notwendige Kohlenstoffdioxid ist im Wasser gelöst
und wird von dem Teichfaden über die gesamte
Blattfläche aufgenommen. Sauerstoff wird über die
gesamte Blattfläche abgegeben. In das Wasser gelangt nur wenig Licht. Das Blatt ist recht dünn und
es gibt keine Unterscheidung im Fotosynthesegewebe. So kann das wenige Licht von allen chloroplastenhaltigen Zellen zur Fotosynthese genutzt
werden, da es zu allen Zellen gelangen kann. Dies
wäre bei einem dicken Blatt nicht der Fall.
2.2Fotosynthese
Licht und Pflanzenwachstum am
Beispiel der Deer-Höhle
Abb. 1, 2
Fotosynthese – Ort, Ausgangsstoffe
und Endprodukte
Abb. 3
Einfluss der Lichtstärke auf die
­Fotosynthese
1.
Bedingungen der Fotosynthese
­(Experiment)
Abb. 4
1.
Abb. 5
Mit zunehmender Beleuchtungsstärke nimmt auch
die Fotosyntheseleistung zunächst zu. Wenn die Beleuchtungsstärke ungefähr 10 000 lux überschreitet,
wird die Zunahme der Fotosyntheseleistung aber
immer geringer und bleibt ab ca. 20 000 lux gleich.
Offenbar kann die Pflanze dann auch bei zunehmender Beleuchtung nicht mehr Fotosynthese betreiben, das Maximum ist erreicht.
Experiment in Abbildung 4:
a) Im Gemisch aus Leitungswasser und sprudelndem Mineralwasser ist die Bläschenzahl pro Minute
größer als in reinem Leitungswasser. Das zeigt, dass
die Fotosyntheseleistung hier größer ist. Deutung:
sprudelndes Mineralwasser enthält Kohlenstoffdioxid. Die Pflanze hat damit hier mehr Ausgangsstoff
für die Fotosynthese zur Verfügung.
b) Die Fotosyntheseleistung ist bei 30 °C am größten. Bei 15 °C ist sie geringer und bei 45 °C findet
keine Fotosynthese statt. Deutung: Bei 15 °C ist es
noch zu kalt für den optimalen Ablauf der Fotosynthese und bei 45 °C ist es schon viel zu warm.
Da die Fotosynthese bei 45 °C ganz zum Erliegen
kommt, liegt die Vermutung nahe, dass Schäden
aufgetreten sind.
11
2.3 Glucose wird in zahlreiche Stoffe umgewandelt
Wie wird die Stärke innerhalb der
Kartoffel gespeichert (Experiment)
Abb. 4
Pflanzen stellen aus Glucose Stärke
und andere Stoffe her
Abb. 1
Die Weizenfrucht ist ein Speicherorgan
1.
Ist die weißbeerige Mistel ein
­Halbparasit?
2.
Abb. 2
Abb. 3
Experiment: Individuelle Lösung.
1.
Eine Weizenpflanze produziert mithilfe der Energie
des Sonnenlichts durch die Fotosynthese Glucose.
Glucose dient als Ausgangsstoff für viele andere
Stoffe, die von der Pflanze gebildet werden. Dazu
gehören die Kohlenhydrate Stärke und Cellulose sowie Proteine und Fette.
Alle Stoffe, die von der Pflanze nicht direkt für
ihre Lebensvorgänge genutzt werden, können in
der Pflanze als Reservestoffe gespeichert werden.
Die Weizenpflanze speichert Stärke in der Weizen-
12
frucht. Als Samen enthält die Weizenfrucht neben
weiteren Reservestoffen bereits eine neue winzige
Pflanze, den Embryo. In der ersten Wachstumszeit
ist der Embryo auf die gespeicherten Stoffe, vor
allem auf die Stärke, angewiesen, da er zunächst
noch keine Fotosynthese betreiben kann.
In der Landwirtschaft erfolgt der Anbau von Weizenpflanzen zur Gewinnung von Weizenmehl. Das
Mehl besteht hauptsächlich aus Stärke und wird
z. B. zur Herstellung von Brot verwendet.
2.
Die Mistel ist eine immergrüne Pflanze. Das bedeutet, dass sie selbst Fotosynthese betreiben kann.
Das Wasser hierfür kann sie über den Saugfortsatz
aus den Leitungsbahnen des Baums aufnehmen.
Da die Mistel aber erst wächst, wenn die Leitungsbahnen durch den Saugfortsatz angezapft werden,
kann man schließen, dass die Mistel auch Glucose
aus den Leitungsbahnen des Baumes aufnimmt und
diese als Energieträger für ihr eigenes Wachstum
nutzt.
Der Begriff „Halbparasit“ bedeutet, dass sich ein
Lebewesen nur teilweise parasitisch ernährt. Dies
trifft auf die Mistel zu, denn sie kann einerseits
Fotosynthese betreiben, andererseits benötigt sie
die Glucose ihres Wirts, dem Baum, auf dem sie
wächst, um sich zu entwickeln.
Die Mistel kann daher zu Recht als Halbparasit bezeichnet werden.
2.4 Die Bedeutung der Fotosynthese für die Erde
Überblick: Verschiedene Aspekte der
Bedeutung der Fotosynthese
Bedeutung der Fotosynthese global
1., 2.
Abb. 2-6
Fotosynthese eines Laubbaumes
Abb. 2
Globale Verteilung des Chlorophylls
3.
Abb. 1
1.
Beispiele für Bildunterschriften:
Bild 3) Pflanzen produzieren durch Fotosynthese
Nahrung für Tiere (und Menschen).
Bild 4) Fotosynthese treibende Lebewesen schufen
in der Erdgeschichte die sauerstoffhaltige Atmosphäre und die lebenswichtige Ozonschicht.
Bild 5) Fossile Energieträger und nachwachsende
Rohstoffe gründen auf der Fotosynthese der Pflanzen.
Bild 6) Kohle geht auf die Fotosynthese in längst
vergangenen Zeiten zurück.
2.
Individuelle Lösung.
3.
Auf der Satellitenaufnahme der Erde sind deutlich
die mit Pflanzenwuchs bedeckten Bereiche der Erdoberfläche zu erkennen. Direkt am Äquator, z. B. in
Zentralafrika, in großen Teilen Südamerikas und in
Indonesien ist der Chlorophyllgehalt sehr hoch (dun-
kelgrüne Gebiete) Der hohe Chorophyllgehalt lässt
sich dadurch erklären, dass hier dichter tropischer Regenwald mit einer hohen Pflanzendichte wächst. Die
Temperatur ist immer hoch und genügend Wasser ist
vorhanden, sodass hier viele Pflanzen wachsen können, die intensiv Fotosynthese betreiben. In den Wüsten (hellbraune Farbe) ist dagegen kaum Chlorophyll
vorhanden. Dazu gehören die Sahara in Afrika, die
Atacama-Wüste in Peru und Chile, sowie Wüstengebiete in Arabien, im Iran, in Zentralasien (z. B. Turan,
Hochland von Tibet, Gobi) und in Australien. Hier
herrscht ein absoluter Wassermangel. Pflanzen können in den Trockenzeiten daher dort kaum gedeihen.
So lässt sich der geringe Chlorophyllgehalt erklären.
Nordamerika, Europa und der Norden Asiens sind
durch ihre dichten Laub- und Nadelwälder chlorophyllreich. Hier herrschen im Sommer auf der Nordhalbkugel gute Bedingungen für die Fotosynthese. In
der Arktis und der Antarktis ist aufgrund der Kälte
und der langen winterlichen Dunkelperiode kaum
pflanzliches Leben möglich und der Chlorophyllgehalt ist entsprechend gering. In den tropischen Meeren
in der Nähe des Äquators ist der Chlorophyllgehalt
sehr gering. Einer der Gründe hierfür ist der geringe
Mineralsalzgehalt. Im Nordatlantik, im Nordpazifik
und an vielen Küsten ist die Dichte des pflanzlichen
Planktons im Meer dagegen höher, da hier mehr Mineralsalze im Wasser gelöst sind, die für die Bildung von
pflanzlichen Baustoffen benötigt werden. Im warmen
Wasser ist zudem weniger Kohlenstoffdioxid gelöst als
in kaltem Wasser, sodass hier weniger Fotosynthese
betrieben werden kann.
Die Satellitenaufnahme wurde vermutlich im europäischen Sommer gemacht, da auf der Nordhalbkugel relativ wenige verschneite Gebiete zu sehen sind
und die Vegetation zum Beispiel in Mitteleuropa
voll entwickelt ist.
13
2.5Energie
Wichtige Energie-Begriffe
Energieformen, Energiewandlungen
2.
Abb. 2 (1)
Energiefluss
1.
Abb. 1
Energiewandlungen und
­Energiefluss
3.
Abb. 1, 2
1.
Im Laufe des Energieflusses folgen verschiedene
Energieumwandlungen aufeinander. Energiewandler
wandeln eine Energieform in andere Energieformen
um. Die Lichtenergie der Sonne wird in den grünen
Blättern der Pflanzen in chemische Energie (Nährstoffe) und Wärme umgewandelt. Biomasse zählt zu den
erneuerbaren Energien. Der Mensch isst die Pflanze
und kann die darin gespeicherte Energie durch Zellatmung nutzbar machen. Beim Fahrrad fahren wird
die chemische Energie der Nährstoffe der Pflanze in
Bewegungsenergie und in Wärme gewandelt. Wenn
der Dynamo am Fahrrad eingeschaltet ist, wandelt
dieser einen Teil der Bewegungsenergie in elektrische
Energie um, mit der eine Lampe betrieben werden
kann, die die elektrische Energie wiederum in Strahlungsenergie (Licht) und Wärme umwandelt.
Bei jeder Energiewandlung wird Wärme abgegeben,
die nicht weiter genutzt werden kann (Energieentwertung). Dadurch wird der Wirkungsgrad gemindert.
2.
a) Der Ventilator wandelt elektrische Energie in
­Bewegungsenergie / Ein Gasbrenner wandelt chemische Energie in Wärmeenergie / In einer Leuchtdiode wird elektrische Energie in Lichtenergie gewandelt / Beim Reiben der Hände wird Bewegungsenergie in Wärmeenergie gewandelt / Solarzellen
wandeln Lichtenergie in elektrische Energie.
14
b) Beispiele für Energiewandlungen des Menschen:
Verdauung (Zellatmung): chemische Energie in chemische Energie und Wärme
Muskelbewegung: chemische Energie in Bewegungsenergie und Wärme
Hände reiben: Bewegungsenergie in Wärmeenergie
c) Lichtenergie wird von der Sonne in das System
der Erde von außen zugeführt. Pflanzen können in
der Fotosynthese Lichtenergie in chemische Energie
umwandeln, die so für alle Lebewesen auf der Erde
nutzbar wird, für die Pflanzen selbst und für Tiere
und Menschen, deren Nahrungsgrundlage Pflanzen
sind (für Pflanzenfresser direkt, für Fleischfresser
indirekt). Die meisten Energieträger beruhen auf
der durch Fotosynthese genutzten Energiezufuhr
durch die Sonne, z. B. nachwachsende Energieträger wie Brennholz und Pflanzenöle, aber auch fossile Energieträger wie z. B. Erdöl und Kohle, die
aus organischen Substanzen früherer Lebewesen
entstanden sind. Wichtig für das Leben auf der Erde ist auch der Umstand, dass Sonnenlicht an der
Erdoberfläche zum Teil in Wärme gewandelt wird.
3.
Beispiele für Energieflussdiagramme:
Sonne (Lichtenergie) → Pflanze (chemische Energie) → Mensch (chemische Energie)
Sonne (Lichtenergie) → Pflanze (chemische Energie) → Holzverbrennung (Wärme)
Sonne (Lichtenergie) → Pflanze (chemische Energie) → Kuh (chemische Energie)
→ Mensch (chemische Energie) → Mensch (Bewegungsenergie)
4.
Bei jeder Energiewandlung wird Wärme abgegeben, die nicht weiter genutzt werden kann. Diese
Energieentwertung führt dazu, dass immer weniger
Energie nutzbar bleibt. Die horizontalen Pfeile sind
jedoch von Schritt zu Schritt gleich groß gezeichnet.
Die Energieentwertung wäre im Diagramm darstellbar, indem man die horizontalen Pfeile mit jedem
Schritt kleiner werden ließe.
2.6 Sauerstoff ist lebenswichtig – die Zellatmung
3.
1.
Zellatmung und Stofftransport
–Körperliche Anstrengung → hoher Energiebedarf,
da Muskeln zur Bewegung Energie brauchen.
–Es muss viel Zellatmung in den Muskelzellen betrieben werden, um diese Energie bereitzustellen.
–Aus dem Blut wird viel Glucose und Sauerstoff
aufgenommen.
–Die Durchblutung wird erhöht.
–Die Atemfrequenz steigt.
Abb. 1
2.
Diagramm zur Zellatmung
Abb. 2
3.
Zellatmung bei körperlichen
­Anstrengungen
Auswirkungen von Sauerstoff­
mangel im Gehirn
4.
Vergleich: Zellatmung und Kerzenflamme
5.
4.
Abb. 4
Abb. 3
1.
Luft gelangt beim Einatmen in die Bronchien. Sauerstoff wird in den Lungenbläschen ins Blut aufgenommen. Der Sauerstoff wird durch das Blut zu
allen Körperzellen transportiert und in die Zellen
aufgenommen. In der Zelle wird mithilfe des Sauerstoffs Glucose zu CO2 und Wasser abgebaut. Dabei
wird die chemische Energie der Glucose in Energie
umgewandelt, die die Zelle nutzen kann, und Wärme wird frei.
2.
Zelle
Kohlenstoffdioxid
Sauerstoff
+
+
Wasser
Glucose
5.
+
Energie
z. B.
für Muskel­
bewegung
a) Schon nach 5 Sek. Sauerstoffmangel treten im
Gehirn erste Störungen auf. Nach 15 Sek. ohne Sauerstoff wird man bewusstlos. Nach 3 Min. Sauerstoffmangel treten Teilstörungen auf, die nicht mehr
rückgängig zu machen sind. Bekommt das Gehirn 5
Min. lang keinen Sauerstoff, stirbt es.
b) Die Gehirnzellen brauchen viel Sauerstoff, um
Zellatmung betreiben zu können und aus dieser
Energie zu erhalten. Ohne diese Energie kann das
Gehirn seine Funktionen, Informationen zu verarbeiten, zu denken und zu erinnern, nicht leisten.
Daher treten schon bei kurzem Sauerstoffmangel
erste Störungen auf. Auch das Bewusstsein ist eine
Leistung des Gehirns. Wenn die Zellen des Gehirns
durch Sauerstoffmangel keine Energie haben, wird
man bewusstlos. Bei längerem Sauerstoffmangel
(3 Min) sterben die Zellen, denn sie brauchen die
Energie aus der Zellatmung zum Leben. Wenn Zellen des Gehirns absterben, kommt es zu Störungen,
die auch bei anschließender Sauerstoffzufuhr nicht
rückgängig zu machen sind. Sind zu viele Zellen
des Gehirns abgestorben, was passiert, wenn 5 Minuten lang kein Sauerstoff zur Verfügung ist, funktioniert das Gehirn als ganzes nicht mehr und man
spricht vom Gehirntod.
Wärme
Gemeinsamkeiten: Es wird Sauerstoff benötigt. Chemische Energie wird umgewandelt, der Ausgangsstoff enthält Kohlenstoff. Es wird Kohlenstoffdioxid
frei. Es wird Wasser frei. Es wird Wärme frei.
Unterschiede: Bei der brennenden Kerze wird die
Energie fast vollständig als Wärme und Licht frei,
bei der Zellatmung wird keine Lichtenergie frei. Die
15
Temperaturen in der Kerzenflamme sind sehr viel höher als in der Zelle. Die Zellatmung kann nicht „leicht
ausgepustet werden“, sie findet durchgehend in allen Zellen statt. Bei der Zellatmung entsteht Energie,
die weiter für verschiedene Körpervorgänge genutzt
werden kann; bei der Kerze ist die freiwerdende Wär-
me- und Strahlungsenergie für die Kerze verloren.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass bei der
Kerzenflamme die Energie auf einmal frei wird, während bei der Zellatmung die chemische Energie der
Glucose schrittweise in nutzbare chemische Energie
und Wärme gewandelt wird.
2.7 Fotosynthese und Zellatmung
Fotosynthese und Atmung, Wechselwirkungen
1.
Auch Pflanzen atmen
2.
Abb. 1-3
Abb. 4 (1, 3)
Wechselwirkungen von Foto­
synthese und Atmung in einem
­Modellgewässer
3.
Abb. 5, 3
1.
Alle Lebewesen, die Zellatmung betreiben, benötigen Sauerstoff. Pflanzen, die Fotosynthese betreiben, nutzen einen Teil des frei werdenden Sauerstoffs für die eigene Zellatmung, ein anderer Teil
steht anderen atmenden Lebewesen, z. B. Tieren,
zur Verfügung. Zur Fotosynthese benötigen Pflanzen neben Licht und Wasser auch Kohlenstoffdioxid, das von atmenden Lebewesen als Produkt der
Zellatmung in die Luft abgegeben wird. Zellatmung
und Fotosynthese der Pflanzen sind daher zwei Vorgänge, die in Wechselwirkung stehen. Gleichzeitig
wird durch die Fotosynthese Sonnenenergie zur
Umwandlung von energiearmen Stoffen in energiereiche Glucose genutzt. Von dieser in der Pflanze
gespeicherten Energie hängen direkt oder indirekt
alle Tiere ab.
2.
a) Beobachtung: Mit der Zeit nimmt die CO2-Konzentration im Gefäß ab, von 630 ppm CO2 sind nach
15 Min. nur etwa 430 ppm übrig (ppm = parts per
16
million). Deutung: Im beleuchteten Glas betreiben
die Efeublätter Fotosynthese und entziehen dem
Wasser und in der Folge der über dem Wasser stehenden Luft CO2.
b) Wenn die Blätter im Dunkeln stehen, können sie
keine Fotosynthese betreiben. Demnach werden sie
der Luft im Gefäß kein CO2 entziehen. Im Gegenteil: durch die auch bei Pflanzen immer ablaufende
Zellatmung wird im Dunklen die Kohlenstoffdioxidkonzentration zunehmen.
3.
1) keine Änderung (weder Fotosynthese noch Zellatmung laufen ab); Kontrollversuch für alle beleuchteten Gefäße
2) keine Änderung (weder Fotosynthese, noch Zellatmung laufen ab); Kontrollversuch für alle unbeleuchteten Gefäße
3) Die Sauerstoffkonzentration wird zunehmen, da
Pflanzen im Licht durch die Fotosynthese mehr Sauerstoff produzieren, als sie in der Zellatmung verbrauchen. Gleichzeitig wird der CO2-Gehalt leicht
abnehmen, da dem Wasser mehr CO2 für die Fotosynthese entzogen wird, als durch Zellatmung der
Pflanze hinzukommt.
4) Der Sauerstoffgehalt des Wassers wird abnehmen
und der CO2-Gehalt ansteigen, da die Pflanzen Zellatmung betreiben und im Dunkeln keine Fotosynthese möglich ist.
5) Der Sauerstoffgehalt wird abnehmen und der
CO2-Gehalt zunehmen, da die Fische dem Wasser
Sauerstoff für die Zellatmung entziehen und gleichzeitig CO2 bilden und ins Wasser abgeben.
6) Genauso wie in 5); die Zellatmung ist unabhängig vom Licht.
7) Sauerstoff- und CO2-Gehalt des Wassers werden
etwa konstant bleiben. Der von den Pflanzen produzierte Sauerstoff wird von den Fischen veratmet,
das dabei frei werdende CO2 von den Pflanzen in der
Fotosynthese umgesetzt. Bei geringer Pflanzendichte oder vielen Fischen werden sich die Verhältnisse
verschieben, da mehr Sauerstoff verbraucht wird als
B
durch Fotosynthese frei wird und mehr CO2 produziert wird als durch die Fotosynthese umgesetzt wird.
8) Der Sauerstoffgehalt wird stark abnehmen und
der CO2-Gehalt stark zunehmen. Sowohl Pflanzen
als auch Fische brauchen Sauerstoff zur Zellatmung
und geben CO2 an das Wasser ab; Fotosynthese
kann im Dunkeln nicht stattfinden.
Wiederholen mit Basiskonzepten
1. Struktur und Funktion.
Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Mit ihrem
Bau sind Lebewesen und ihre Teile, an bestimmte Funktionen angepasst. Die kleinste Einheit mit
Lebensfunktionen ist die Zelle. Alle Zellen haben
folgende Strukturen und Funktionen:
–Zellen gehen durch Teilung aus anderen Zellen
hervor.
–Im Zellkern befindet sich die Erbinformation.
–Zellen sind von einer Membran umgeben, durch
die Stoffe aufgenommen und abgegeben werden.
Der Stoffaustausch erfolgt über die ganze Zell–
oberfläche.
–Zellen benötigen Energie und wandeln Stoffe um.
Sie verwerten Nährstoffe zum Aufbau eigener Stoffe und zur Bereitstellung von Energie.
2. Kompartimentierung.
Unter Kompartimentierung versteht man eine
räumliche Aufteilung, zum Beispiel verschiedener
Funktionen. Auch eine einzelne Zelle ist durch
Membranen, die Zellorganellen und das Cytoplasma in verschiedene Teilräume gegliedert. Durch diese Kompartimentierung können viele verschiedene
Vorgänge gleichzeitig ablaufen, ohne sich gegenseitig zu stören.
3. Struktur und Funktion, Stoff- und Energieumwandlung.
Die Umwandlung von Stoffen nennt man Stoffwechsel. Energie ist für diese Lebensvorgänge notwendig, Lebewesen sind Energiewandler. Die Aufnahme und Abgabe von Stoffen ist eine Funktion
der Zellmembran.
4. Struktur und Funktion.
Eine Pflanzenzelle besitzt außerhalb der Zellmembran eine Zellwand, die der Zelle Stabilität gibt.
Die Funktion Stabilität wird durch die Struktur der
Zellwand (den Aufbau aus Cellulose) erreicht. Die
Stabilisierung der Zelle wird von der Vakuole unterstützt. Sie kann Wasser aufnehmen und abgeben
und so einen Druck von innen aufbauen.
5.Information und Kommunikation, Kompartimentierung.
Der Zellkern ist von einer Membran umgeben und
enthält die Erbinformationen. Er steuert die Lebensvorgänge der Zelle. Die Informationen der Erbanlagen sind von großer Bedeutung für die Zelle. Ihr
Austausch kann durch die Kompartimentierung
gleichzeitig und ungestört mit anderen Vorgängen
ablaufen.
6. Stoff- und Energieumwandlung, Kompartimentierung.
Mitochondrien und Chloroplasten bilden die Kompartimente in denen die Stoff- und Energieumwandlungen der Zellatmung bzw. der Fotosynthese ungestört von anderen Vorgängen und voneinander
stattfinden. Bei der Fotosynthese erzeugen grüne
Pflanzen mithilfe des Chlorophylls in den Chloroplasten aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose
und Sauerstoff. Bei der Zellatmung wird die chemische Energie der Glucose in einer Kette von Reaktionen unter Beteiligung von Sauerstoff in den
Mitochondrien nutzbar gemacht. Die Produkte der
Zellatmung sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.
17
7. Struktur und Funktion, Fortpflanzung und Entwicklung, Information und Kommunikation.
Im Gegensatz zu Einzellern bestehen Menschen,
die meisten Tiere und Pflanzen aus Milliarden von
Zellen. Jeder Zelltyp erfüllt eine bestimmte Funktion, sodass eine Arbeitsteilung stattfindet. Alle
unterschiedlichen Zelltypen sind durch Teilungen
aus der befruchteten Eizelle hervorgegangen. Die
Informationen in den Erbanlagen werden im Laufe
der Entwicklung derart realisiert, dass sich spezialisierte und differenzierte Zellen mit spezifischen
Funktionen bilden. ­
Daraus entstehende Gewebe
und Organe ergänzen sich in ihren Funktionen und
bilden den Organismus.
8.Struktur und Funktion, Kompartimentierung,
Steuerung und Regelung.
Unter Struktur versteht man in der Biologie den Bau
von Lebewesen und ihrer Teile (Moleküle, Zellen,
Gewebe und Organe). Mit ihrem Bau sind Lebewesen an bestimmte Funktionen angepasst. Liegt den
verschiedenen Aufgaben eine räumliche Aufteilung
zugrunde, spricht man von Kompartimentierung.
Das Zusammenwirken der unterschiedlichen Strukturen erfolgt häufig durch Steuerung und Regelung,
wodurch die Bedingungen im Organismus stabil
gehalten werden.
9. Stoff- und Energieumwandlung.
Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen nennt man Stoffwechsel. Bei der Fotosynthese
werden die Stoffe Wasser und Kohlenstoffdioxid
aufgenommen. Energie ist für alle Lebensvorgänge
notwendig und tritt in verschiedenen Formen auf.
Grüne Pflanzen nutzen in ihren Chloroplasten mithilfe von Chlorophyll einen Teil der Lichtenergie
der Sonne zum Aufbau des energiereichen Stoffes
Glucose. Lichtenergie wird in chemische Energie
gewandelt. Sauerstoff wird ebenfalls produziert und
von der Pflanze abgegeben.
10.Stoff- und Energieumwandlung.
Grüne Pflanzenzellen betreiben im Licht Fotosynthese, bei der Sauerstoff frei wird, und zugleich Zellatmung. Im Tageslicht überwiegt allerdings bei den
meisten Pflanzen die Sauerstoff-Freisetzung durch
Fotosynthese gegenüber dem Sauerstoff-Bedarf für
18
die Zellatmung. Der überschüssige Sauerstoff wird
von den Pflanzen abgegeben und steht atmenden
Lebewesen zur Verfügung. Durch die Fotosynthese wird energiereiche Biomasse hergestellt. Grüne
Pflanzen werden daher als Produzenten bezeichnet.
Menschen, Tiere und Pflanzen sind auf die Zufuhr
energiereicher Nährstoffe angewiesen, da sie diese
nicht selbst herstellen können. Sie werden als Konsumenten bezeichnet.
11.Stoff- und Energieumwandlung, Kompartimentierung.
Die Zellorganellen bilden verschiedene Teilräume in
einer Zelle. Durch diese Kompartimentierung können verschiedene Vorgänge gleichzeitig stattfinden,
ohne sich gegenseitig zu stören. In den Chloroplasten von Pflanzenzellen können z. B. die Fotosynthesevorgänge ablaufen, während in den Mitochondrien dieser Zellen gleichzeitig viele Teilschritte der
Zellatmung stattfinden. In der Zellatmung wird die
chemische Energie von Glucose durch Energieumwandlungen in Teilschritten für die Zelle nutzbar
gemacht.
12.Stoff- und Energieumwandlung.
Lebewesen sind Energiewandler, sie können bestimmte Formen von Energie in andere Formen von
Energie umwandeln. Energie kann weder vernichtet
noch neu geschaffen werden. Die Weitergabe von
Energie über eine Kette von Energiewandlern erfolgt
als Energiefluss. Bei jedem Energieumwandlungsprozess wird Wärmeenergie abgegeben. Wärmeenergie
ist für Lebewesen nicht für Lebensprozesse nutzbar.
Im Energiefluss erfolgt durch die Wärmeabgabe eine
Energieentwertung. Die nutzbare Energie nimmt im
Energiefluss bei jeder Umwandlung ab.
13.Geschichte und Verwandtschaft, Stoff- und Energieumwandlung.
Jedes heutige Lebewesen lässt sich durch eine ununterbrochene Kette von Fortpflanzungen bis zu
den Ursprüngen des Lebens zurückführen. Die vielfältigen Arten von Lebewesen sind im Laufe langer
Zeiträume aus anderen Formen hervorgegangen.
Zellen, die Sonnenenergie nutzen konnten, Fotosynthese betrieben und dabei Sauerstoff produzierten, sind früher entstanden als atmende Organis-
men, die auf energiereiche Nahrung und Sauerstoff
angewiesen waren. Die heutigen Lebewesen, die
Fotosynthese betreiben, stehen mit atmenden Lebewesen in einer Wechselbeziehung: Die Pflanzen
produzieren mehr Sauerstoff als sie selbst benötigen und nehmen mehr Kohlenstoffdioxid aus der
Luft auf als sie abgeben. Die Tiere nutzen den Sauerstoff der Luft für ihre Atmung und geben Kohlenstoffdioxid ab.
Mit der richtigen Argumentation lassen sich eventuell weitere Basiskonzepte zuordnen.
19
3
Insekten gehören zu den Gliederfüßern
3.1 Äußerer und innerer Bau von Insekten
2.
Bau der Wespe - Grundbauplan der
Insekten
Abb. 1
Atmung und Blutkreislauf der
­Insekten
2.
Merkmale der Insekten im Vergleich
zum Wirbeltier
1.
Wärmeregulation
3.
Abb. 5-7
Abb. 2, 3
Abb. 7
1.
Wespe
Tracheen (mit Chitin ausgekleidete
Röhren, leiten Luft
ins Körperinnere)
Verdauungs- Magen, Dünndarm, Darm, durchzieht
organe
Dickdarm
schlauchförmig
den ganzen Körper
Nerven­
Gehirn, RückenGehirn, Bauchsystem
mark, Nervenfasern Nervenstrang
Blutkreis­lauf geschlossener
offener BlutkreisBlutkreislauf
lauf
Herz
Herz mit zwei
schlauchförmiges
Kammern
Herz, offen
Skelett
Innenskelett aus
Außenskelett aus
Knochen
Chitin
Fortbewevier Beine
sechs Beine, zwei
gung
Flügelpaare (bei
der Wespe)
AusscheiNiere, Blase, Harn- Ausscheidungsordung
röhre getrennt
gane im Hinterleib,
vom Darm, After
münden gemeinsam mit dem Darm
Geschlechts­ Geschlechtsorgane Keimdrüsen im
organe
im Hinterleib
­Hinterleib
Atmungs­
organe
20
Hund
Lunge (Luftröhre,
Bronchien)
a) Die Tracheen beginnen außen seitlich am Körper
in den Stigmen. Im Körperinneren verzweigen sie
sich baumartig in immer kleiner werdende Röhren
und leiten Luft zu allen Organen des Insektenkörpers, die so mit Sauerstoff versorgt werden. Durch
die feine Verzweigung der Tracheen gelangen die
Sauerstoffmoleküle zu den Geweben und den Organen.
b) Die Tracheen beginnen in kleinen Öffnungen im
Chitinpanzer, den Stigmen, als große Röhren und
verzweigen sich dann in immer kleinere Äste, die
dann an den Muskeln und anderen Organen offen
enden. Sie sind ringartig verstärkt und ähneln in
ihrer Gestalt der Luftröhre und den Bronchien des
Menschen. Auch die Luftröhre des Menschen ist ein
durch Knorpelringe gefestigter Schlauch, der sich
dann in die kleineren Äste der Bronchien verzweigt.
In der menschlichen Lunge gelangt so die Luft bis
zum Lungengewebe, wo der Sauerstoff der Luft in
das Blut aufgenommen und dann im Blutkreislauf
im ganzen Körper verteilt wird. Die Tracheen durchziehen im Gegenteil dazu den ganzen Körper und
versorgen das Gewebe direkt. Die ringförmigen Verstärkungen der Luftröhre und auch der Tracheen
verhindern ein Zusammenfallen durch den beim
Atmen entstehenden Unterdruck, bzw. bei Insekten
während der Luftbewegung durch das Bewegen des
Körpers.
c) Beim Staubsaugen wird ein starker Unterdruck
aufgebaut, um den Schmutz einzusaugen. Wäre der
Staubsaugerschlauch nicht durch Verstärkungsringe verhärtet, so würden seine Wände durch den
Unterdruck zusammengedrückt werden und der
Schlauch würde sich verschließen. Die gleiche
Funktion haben die Verstärkungsringe der Tracheen
und der Luftröhre: Auch hier wirkt ein Unterdruck
(z. B. wenn beim Einatmen Luft wie bei einem
Staubsauger eingesaugt wird) und die Knorpelringe verhindern das Verschließen der Luftröhre bzw.
die ringförmige Verstärkung das Verengen der Tracheen. Im Gegensatz zu einem starren Rohr mit
gleichförmig dicken Wänden bleibt ein Schlauch
mit Verdickungsringen trotz seiner Stabilität gegenüber Druck flexibel und beweglich.
3.
Bei Insekten kommt es durch den intensiven Stoffwechsel in den Flugmuskeln während des Fliegens
oder auch bereits beim Zittern der Flugmuskulatur
zu einer Temperaturerhöhung im Brustraum. Diese liegt oberhalb von 30 °C. Wenn das kalte Blut
aus dem Hinterleib durch das röhrenförmige Herz
in den Brustraum gepumpt wird, erwärmt sich das
Blut dort und der Brustraum wird dadurch etwas
abgekühlt. Das warme Blut fließt dann weiter in den
gesamten Insektenkörper und erwärmt ihn, denn
Wärme aus dem Blut wird an die Umgebung abgegeben. Das warme Blut fließt unterhalb der dünnen
Haut durch die Taille in den Hinterleib. Dabei fließt
es sehr nah am Herz vorbei und erwärmt wiederum
das kältere Blut darin, während es selbst abkühlt.
So kann mit dem offenen Blutkreislauf auch bei kalten Außentemperaturen der Brustbereich mit der
Flugmuskulatur auf konstant auf 30 °C gehalten
werden, während der Hinterleib kälter bleiben kann.
3.2 Insekten sind Ernährungsspezialisten
Grundbauplan der Mundwerk­
zeuge
Abb. 1, 2
Veränderung der Mundwerkzeuge in
der Individualentwicklung
Abb. 4, 5
Spezialisierung der Mundwerkzeuge
1., 2., 3.
Blüte und Saugrüssel passen
­zusammen
4.
Abb. 3, 6, 7
Abb. 6
1.
Unterkiefer
Unterlippe
Oberkiefer
Oberlippe
leckend
zweigeteilt, ­seitlich
der Unterlippe,
gerade
bildet Saugrüssel,
hat am Ende ein
Löffelchen, das
Nahrung aufleckt
stechend
tastend
sehr lang und
sehr kurz, s­ eitlich
spitz, zweigeteilt abstehend,
­zweigeteilt
sehr lang und
breit, bildet Platte,
spitz, zweigeteilt die auf den Untergrund aufgesetzt
wird, um ihn nach
Nahrung abzutasten
zweigeteilt seitlich sehr lang und
zurückgebildet
der Oberlippe, über spitz, zweigeteilt (nicht zu sehen)
dem Unterkiefer
breit, oberhalb der sehr lang und
klein, oberhalb der
Unterlippe
spitz, zweigeteilt Unterlippe
Tier-Beispiel Biene
Stechmücke
Fliege
beißend
zwei fühlerartig
ausgebildete Teile
saugend
sehr lang,
­aufgerollt
kurz und an den
Enden spitz,
­zerschneidet
­Nahrung
fühlerartig zu
­beiden Seiten
nach oben
­stehend
kurz und dick,
zweigeteilt, seitlich der Oberlippe
groß, zwischen
den beiden Teilen
des Oberkiefers
Schabe, Raupe,
Ameise
sehr klein, zwei­
geteilt, seitlich
der Oberlippe
sehr klein, über
dem Unterkiefer
(Saugrüssel)
Schmetterling
21
2.
–Leckende Mundwerkzeuge: Nektar
–
Stechende Mundwerkzeuge: Blut, Insekten,
Pflanzensaft
–Tastende Mundwerkzeuge: Milch, Saft
–Beißende Mundwerkzeuge: Blätter, Blüten, Stängel, Samen, Haut, Wurzeln, Insekten, Holz
–Saugende Mundwerkzeuge: Nektar
3.
Das Basiskonzept „Struktur und Funktion“ lässt
sich hier auf den Saugrüssel des Insekts anwenden.
Die Mundwerkzeuge des vorhergesagten Insekts
bilden einen Saugrüssel, mit dem es den Nektar, der
am Boden der Blüten des Sterns von Madagaskar
ausgeschieden wird, aufnimmt. Wenn das vorhergesagte Insekt in der Blüte Nektar aufnehmen will,
wird der lange Saugrüssel mithilfe von Muskeln
ausgestreckt und ist dann so lang wie der lange
Blütensporn.
Auch das Basiskonzept „Variabilität und Angepasstheit“ lässt sich hier anwenden: Vermutlich hatten
die Vorfahren des Sterns von Madagaskar einen
kürzeren Blütensporn und die Vorfahren des Insekts einen kürzeren Saugrüssel. Wenn nun durch
genetische Veränderung der Blütensporn etwas
22
länger geworden ist, so hatten Insekten mit einem
längeren Saugrüssel Vorteile, da sie besser an den
Nektar gelangen konnten. Auch die Pflanze hatte
vermutlich einen Vorteil dadurch, denn so wurde
gewährleistet, dass sie weiterhin durch das Insekt
bestäubt werden konnte.
Daher ist auch das dritte Basiskonzept „Geschichte
und Verwandtschaft“ hier anwendbar:
Die Angepasstheiten sind genetisch festgelegt und
konnten auf die Nachfahren vererbt werden. So entstanden mit der Zeit immer längere Blütensporne
und immer längere Saugrüssel.
Darwin wusste um die Veränderlichkeit der Organismen. Ihm war klar, dass es ein Insekt mit einem langen Saugrüssel geben musste, durch das
der Stern von Madagaskar einen Vorteil hat. Der
Weiße Stern von Madagaskar hat einen 40 Zentimeter tiefen Sporn. Nur eine einzige Insektenart,
ein Falter mit einer 40 Zentimeter langen Zunge,
kann aus diesem tiefen Kelch Nektar saugen. Die
Pflanze konnte weiterhin durch den Falter bestäubt
werden. Diese gegenseitige Angepasstheit ist auf
beiden Seiten beeindruckend, weil beide Organismen perfekt in Struktur und Funktion aufeinander
abgestimmt sind.
3.3 Ein Jahr im Bienenstaat
Bienenwaben als Wohnort,
­Brutstätte und Vorratskammer
Abb. 1
Königin, Arbeiterin und Drohn
1.
Ein Jahr im Bienenstaat
Abb. 4
Temperatur im Bienenstock
Abb. 2
Arbeitsteilung bei den Bienen
3.
4.
Abb. 3
2.
1.
Arbeiterin
Aussehen
Facettenaugen klein,
Hinterleib kurz
Entwicklung – Entwicklung über ein
­Larvenstadium aus befruchteten Eizellen der Königin
– 21 Tage Brutzeit
Königin
Facettenaugen klein,
Hinterleib lang
– Entwicklung über ein Larvenstadium
aus befruchteten Eizellen der Königin
in becherförmigen Weiselzellen
– spezielle Fütterung mit Gelee Royale
(→ Jungköniginnen)
– 1 6 Tage Brutzeit
Drohn
Facettenaugen groß,
Hinterleib kurz, kompakt
– Entwicklung über
ein Larvenstadium
aus ­unbefruchteten
­Eizellen der Königin
– 24 Tage Brutzeit
Königin
Frühling: Ablage befruchteter Eizellen in
leere Wabenzellen (→ Arbeiterinnen),
späterer Frühling: Ablage befruchteter
Eizellen in becherförmige Weiselzellen
(spezielle Fütterung mit Gelee Royale →
Jungköniginnen),
zeitgleich: Ablage unbefruchteter Eier
(→ Drohnen)
Frühsommer: Ausschwärmen der alten
Königin mit Tausenden von Arbeiterinnen, Gründung eines neuen Stocks;
Schlüpfen der neuen Königin, Hochzeitsflug der Jungkönigin und Paarung mit
herangereiften Drohnen, Bildung eines
neuen Staates mit verbliebenen Bienen
im Stock
Drohn
Nach dem Schlüpfen im
späteren Frühling:
Paarung mit der Jungkönigin
2.
Funktionen
(Aufgaben)
Arbeiterin
Nach dem Schlüpfen im Frühling: Reinigung der ­Waben,
ab 4. Tag: Fütterung der ­Larven,
Brutpflege,
ab 10. Tag: Arbeit als Baubiene,
ab 14. Tag: B
­ ewachen des
Stocks,
ab 3. Woche: Sammeln von
Nektar und Pollen außerhalb
des Stocks (Sammelbiene),
Versorgung des Bienenstaates
mit Nahrung
Frühsommer: Ausschwärmen
mit der Königin
23
3.
7
6
1
9
2
8
3
4
10
11
5
Zeit
4.
Beschreibung: Die Temperatur im Stock beträgt Ende Januar 4,9 °C. Sie liegt also deutlich über dem
Gefrierpunkt, obwohl es draußen friert. Von März
bis Juli bleibt die Temperatur im Stock konstant bei
etwa 33-35 °C und ist damit höher als die Außentemperatur. Erst im Herbst sinkt die Temperatur im
Stock wieder. Sie liegt dabei aber immer einige °C
oberhalb der Außentemperatur.
Deutung: Im Winter sitzen die Bienen in einer Traube.
Es sind viel weniger Bienen als im Sommer. Die Bienen erzeugen in dieser Kugelform die zum Überleben
notwendige Wärme durch Muskeltätigkeit. Selbst bei
Minusgraden liegt die Temperatur im Stock noch im
positiven Bereich. Die erforderliche Energie bezieht
das Bienenvolk aus dem im Frühling und Sommer
gesammelten Honig. Im Frühjahr und im Sommer
ist die Brutzeit. In dieser Zeit regeln die Bienen die
Temperatur im Bienenstock sehr genau zwischen 33
und 35 °C. In kühlen Nächten oder kalten Gegenden
hat es einen großen Vorteil, die Bruttemperatur auf
einem konstant hohen Niveau zu halten. Auf diese
Weise ist die Zeit bis zum Schlüpfen der Jungbienen
nicht nur kurz, sondern auch genau festgelegt. Die
Temperatur wird von den Bienen durch Muskelzittern
erhöht und durch Wassereintrag gesenkt. Im Herbst
sinkt die Zahl der Bienen im Stock wieder stark ab. Im
September geht die Larvenaufzucht stark zurück. Die
Bienen halten die Temperatur im Stock nicht mehr
auf einem konstant hohen Niveau. Sie ist aber dennoch höher als außerhalb des Stocks, was wiederum
an der durch die Stoffwechselaktivität der Bienen freigesetzten Wärme liegt.
3.4 Verständigung bei Bienen
1.
Kommunikation durch Schwänzelund Rundtanz
Abb. 1, 2, 3
Codierung der Informationen über
Nahrungsquellen
1.
Erstellen von Tanzanweisungen
2.
Abb. 4
Abb. 4
Ermittlung der Entfernung zu den
Futterquellen
24
3.
Abb. 5a, b
Futterquelle a:
Die Futterquelle a befindet sich in > 200 m Entfernung in genau entgegengesetzter Richtung zur
Sonne. Der Schwänzeltanz zeigt an, dass die Entfernung zur Futterquelle mehr als 100 m beträgt.
Die Länge der Schwänzelphase in der Abbildung
codiert die Entfernung von > 200 m. Die Biene
tanzt die Schwänzelphase auf der Wabe senkrecht
nach unten. Dies zeigt an, dass sich die Futterquelle
in entgegengesetzter Richtung zur Sonne befindet.
Futterquelle b:
Die Futterquelle b befindet sich in > 200 m Entfernung 80 ° links von der Sonne. Der Schwänzeltanz
zeigt an, dass die Entfernung zur Futterquelle mehr
als 100 m beträgt. Die Länge der Schwänzelphase in
der Abbildung codiert die Entfernung von > 200 m.
Die Biene tanzt die Schwänzelphase auf der Wabe
in einem Winkel von 80 ° nach links. Dies zeigt an,
dass sich die Futterquelle in einem Winkel von 80 °
links von der Sonne befindet.
2.
a)
Die Futterquelle c befindet sich
in 200 m Entfernung genau in
Richtung zur Sonne. Es muss
wie bei Futterquelle a ein
Schwänzeltanz gezeichnet werden, da die Entfernung zur Futterquelle mehr als 100 m beträgt. Die Länge der Schwänzelphase in der Abbildung codiert die Entfernung von > 200 m wie in
Abb. 4a und 4b. Die Zeichnung muss berücksichtigen, dass die Biene die Schwänzelphase auf der Wabe
senkrecht nach oben tanzt. Dies zeigt an, dass sich
die Futterquelle in Richtung Sonne befindet.
M
Die Entfernung zur Futterquelle
d beträgt > 100 m. Die Kommunikation erfolgt durch einen
Schwänzeltanz mit einer
Schwänzelphase, die etwa mit
der Hälfte der Frequenz der Vergleichsbilder zu den Futterstellen a, b und c in einem Winkel von 30 ° rechts zur
Sonne dargestellt werden muss.
b) Individuelle Lösungen.
3.
Befindet sich Nahrung in größerer Entfernung, tanzt
die Biene einen Schwänzeltanz. Je länger die Schwänzelphase dauert, desto größer ist die Entfernung zur
Futterquelle. In a) ist die Schwänzelphase deutlich kürzer als in b). Die Futterquelle ist allerdings in beiden
Fällen gleich weit von dem Bienenstock entfernt, wenn
man die Strecke als „Luftlinie“ betrachtet. Im oberen
Foto müssen die Bienen über eine Wiese fliegen, die
keine Hindernisse aufweist. Im unteren Foto ist die
Landschaft stark strukturiert. Die Bienen müssen über
Bäume und Häuser hinweg fliegen und dabei Umwege
machen. Damit ist die reale Gesamtflugstrecke länger
als die über eine Wiese ohne Hindernisse. Daher ist
auch die Schwänzelstrecke im unteren Bild länger.
Ordnen mit geeigneten Kriterien
1.
Gefährdungsklassen der Roten Liste für Deutschland
0 ausgestorben oder verschollen
1 vom Aussterben bedroht
2 stark gefährdet
3
G
R
V
D
*
In Deutschland vorkommende Arten
–
–
Hochmoorbläuling, Gelbrandkäfer, Spitzenfleck, Hirschkäfer
gefährdet
–
Gefährdung unbekannten Ausmaßes
–
extrem selten
Große Zangenlibelle
Vorwarnliste (noch ungefährdet, verschiedene Faktoren ­könnten Schwalbenschwanz
eine Gefährdung in den nächsten zehn Jahren ­herbeiführen)
Daten unzureichend
–
ungefährdet
Plattbauch, Kohlweißling-Raupe, Kartoffelkäfer
2.
Individuelle Lösung. Als Ordnungskriterien können z. B. Nahrung, Lebensraum und Größe verwendet werden.
25
3.5 Der Stamm der Gliederfüßer
–
3.6 Beutefang von Spinnen
Spinnen haben unterschiedliche
Fangstrategien.
1.
Unterschiedliche Fangstrategien vermeiden Konkurrenz um die Nahrung
Abb. 4
Verdauung bei Spinnen
Abb. 1-5
2.
Abb. 6
1.
Eine Wolfsspinne, eine Kreuzspinne, eine Haubennetzspinne, eine Baldachinspinne, eine Krabbenspinne
und eine Springspinne sind in Abbildung 4 dargestellt.
Welche Spinnen
sind in Abb. 4?
Wo gehen sie auf Wie fangen sie ihre Beute?
Beutejagd?
Wolfsspinne
auf dem Boden
Die Wolfsspinne schleicht sich von hinten an die Beute heran und fängt
das Tier im Sprung.
Kreuzspinne
in der Luft
Die Kreuzspinne legt ein vertikales Netz an. Wenn fliegende Insekten gegen das Netz stoßen, berühren sie die Fäden und bleiben an ihnen kleben.
Haubennetzspinne auf dem Boden
Die Haubennetzspinne baut ein Netz mit stark klebenden Fäden, die auf
dem Boden befestigt sind. Berührt ein Tier den Faden, so bleibt es daran
hängen und es wird mit dem Faden nach oben ins Netz katapultiert.
Baldachinspinne
in der Luft
Die Baldachinspinne baut ein kuppelförmiges, gewölbtes Netz. Über dem
Netz ist ein Fadengewirr gespannt. Wenn ein fliegendes Insekt sich darin
verfängt, stürzt es auf das Netz und wird zur Beute.
Krabbenspinne
in Blüten
Die Krabbenspinne streckt ihre langen, vorderen Beinpaare zum Fangen
der Beute aus und verharrt so regungslos in ihrem Versteck, z. B. einer Blüte. Wenn dann eine Biene auf der Blüte landet, wird sie von den kräftigen
Vorderbeinen gepackt.
Springspinne
auf dem Boden
Die Springspinne kann sehr gut sehen. Wenn sie ihre Beute entdeckt hat,
schleicht sie sich von hinten langsam an ihr Beutetier heran. Während des
Anschleichens heftet sie einen Sicherheitsfaden am Untergrund fest und
springt dann das Insekt zielsicher an.
26
2.
Spinnen
Menschen
kleine Mundöffnung
große Mundöffnung
Spinnen können ihre Nahrung nicht zerkleinern.
Menschen zerkleinern ihre Nahrung mit den Zähnen.
Verdauungssaft wirkt a­ ußerhalb des Körpers.
Verdauungssaft wirkt in Magen und Darm.
Nahrungsbrei wird in den Körper gesaugt.
Nahrungsbrei ist bereits im Inneren des Körpers.
Saugmagen
kein Saugmagen
B
Wiederholen mit Basiskonzepten
1. Geschichte und Verwandtschaft.
Die vielfältigen Arten von Lebewesen sind im Laufe
langer Zeiträume aus anderen Formen hervorgegangen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Evolution.
Die abgestuften Ähnlichkeiten zwischen Lebewesen sind ein Beleg für den Grad der Verwandtschaft.
2. Geschichte und Verwandtschaft, Variabilität und
Angepasstheit.
Die vielfältigen Arten von Lebewesen sind im Laufe
langer Zeiträume aus anderen Formen hervorgegangen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Evolution.
Unter Variabilität versteht man die Veränderlichkeit
von Merkmalen, die zur Vielfalt führt. Alle Lebewesen besitzen Merkmale, die durch natürliche Auslese entstanden und genetisch festgelegt sind.
3. Struktur und Funktion, Variabilität und Angepasstheit.
Unter Struktur versteht man in der Biologie den Bau
von Lebewesen. Mit ihren Strukturen sind Lebewesen an bestimmte Funktionen angepasst.
4. Struktur und Funktion, Variabilität und Angepasstheit, Geschichte und Verwandtschaft.
Unter Struktur versteht man in der Biologie den
Bau von Lebewesen. Mit ihren Strukturen sind
Lebewesen an bestimmte Funktionen, z. B. durch
Spezialisierung an die jeweilige Nahrung und den
Lebensraum, angepasst. Die vielfältigen Strukturen
sind im Laufe langer Zeiträume durch natürliche
Auslese entstanden und genetisch festgelegt.
5.Steuerung und Regelung, Fortpflanzung und
Entwicklung.
Viele Zustände im Körper eines Lebewesens werden gesteuert oder geregelt. Dadurch reagiert der
Organismus auf Veränderungen. Insekten können
ihre Körpertemperatur im Gegensatz zu z. B. Säugetieren nur durch ihr Verhalten regeln. Die Dauer der
Entwicklung vom Ei zum erwachsenen Tier ist bei
den wechselwarmen Insekten von der Umgebungstemperatur abhängig. Jahreszeiten und klimatische
Bedingungen haben daher einen großen Einfluss
auf die Entwicklung der Insekten.
6. Fortpflanzung und Entwicklung, Steuerung und
Regelung, Information und Verständigung.
Mit der Eiablage beginnt die genetisch festgelegt
Entwicklung. Die Arbeiterinnen entwickeln sich
aus befruchteten Eiern. In deren erblichen festgelegten und regulierten Entwicklungsschritten haben
sie unterschiedliche Funktionen im Bienenstaat.
Die Verständigung mit anderen Bienen erfolgt über
bestimmte Signale.
7. Information und Verständigung.
Lebewesen nehmen Informationen aus ihrem Körper und aus der Umwelt auf. Das Ergebnis der
Informationsverarbeitung kann Einfluss auf das
Verhalten haben. Die Sammlerbienen nehmen Informationen z. B. über die Lage von Nahrungsquellen auf. Die Kommunikation mit anderen Bienen
erfolgt über Berührungssignale, Duftsignale und bestimmte Tanzformen. Die Empfänger dieser Signale
nehmen diese auf, wandeln sie und setzen sie in
bestimmte Verhaltensreaktionen um.
27
4
Ökosystem Wald
4.1 Wälder sind verschieden
Wälder sind unterschiedlich
1.
Abb. 1, 2
Biodiversität im Wald
4.
Abb. 3
Waldzusammensetzung in Gegenwart und Zukunft
2., 3.
Lebensräume vergleichen
5.
Abb. 4
1.
a) Abbildung 1 zeigt das Innere eines Mischwaldes in
Bodennähe. Der Boden ist uneben. An vielen Stellen
gelangt Licht auf den Boden. Es gibt Kräuter und
Sträucher. Verschiedene Baumarten sind vorhanden,
darunter sowohl Laub- als auch Nadelbäume. Es handelt sich um einen naturnahen Mischwald.
Abbildung 2 zeigt den Übergang von einer Rodung
zu einer Fichtenmonokultur. Im Vordergrund liegen
gefällte, zum Teil geschälte Stämme. Die Nadelbäume dahinter sind offenbar Fichten, die gleich alt
sind. Sie stehen eng, sind hochwüchsig und tragen
nur in der Krone Äste und Nadeln. Unterwuchs ist
nicht vorhanden. Es ist ein Wald, der vor allem der
Holzproduktion dient.
b) Der menschliche Einfluss ist in der Fichtenmonokultur sehr groß. Es ist ein künstlich angelegter
Wald, der vor allem der Holzproduktion dient. Für
andere Pflanzen ist weder Platz noch Licht vorhanden. Der Mischwald macht dagegen einen naturnahen Eindruck. Der Einfluss des Menschen ist hier
gering. Wenn überhaupt, wurden nur einzelne Bäume aus dem Bestand gefällt (möglicherweise sind
einige Baumstümpfe in der Bildmitte zu sehen).
c) Im Mischwald ist die Tier- und Pflanzenwelt vermutlich am artenreichsten. Hier gibt es viele unter-
28
schiedliche Lebensräume. Das ermöglicht eine hohe
Biodiversität.
2.
a) Vermutlich wurde mit den Monokulturen der
Versuch gemacht, eine industrielle Forstwirtschaft
ähnlich der Landwirtschaft aufzubauen: Große Flächen werden mit der „Nutzpflanze" bepflanzt und
später „geerntet“. Die frei gewordene Fläche wird
wiederum bepflanzt.
b) Die künstlich bepflanzten Monokulturen sind
anfälliger für Sturmschäden und Schädlinge als naturnahe Wälder. Die frisch gerodeten Flächen sind
anfälliger für Erosion.
Die Monokulturen werden wieder durch naturnahe
Wälder ersetzt, da diese weniger anfällig sind und
eine größere biologische Vielfalt bieten. So helfen
sie den Artenreichtum zu bewahren.
3.
Die Abbildung verdeutlicht die prozentuale Zu- und
Abnahme verschiedener Baumarten in Deutschland
zwischen 1987 und 2005. Das Diagramm zeigt den
deutlichen Rückgang von Nadelbäumen und einen
Zuwachs an Laubbäumen. Damit spiegelt es den
Trend wieder, dass von Nadelwald-Monokulturen
Abstand genommen wird und vermehrt naturnahe
Wälder angelegt werden.
4.
a) Das Diagramm zeigt die Anzahl von seltenen und
häufigen Vogelarten des Bayerischen Waldes in Abhängigkeit von dem Alter der Bäume. Man erkennt,
dass bei älteren Bäumen die Anzahl der selteneren
Vogelarten deutlich höher ist. Auch die Anzahl der
häufigen Vogelarten steigt an, jedoch nicht so stark.
Bei einem Alter der Bäume von 5-10 Jahren sind keine
seltenen Vogelarten vorhanden. Je älter die Bäume
werden, desto vielfältiger werden offensichtlich die
Lebensräume, die der Wald bietet.
b) Im Zuge des Naturschutzes sollten mehr naturnahe Wälder angelegt werden, in denen auch alte
Bäume wachsen, um die biologische Vielfalt zu fördern und zu erhalten.
5.
Maisacker und Rasen sind offene Lebensräume mit
stark wechselnden Lebensbedingungen. Die Lebensbedingungen in Wäldern sind in der Regel ausgeglichener. Anders als in den Wäldern können sich kaum
vollständige Stoffkreisläufe ausbilden, da durch Ernte
oder das regelmäßige Mähen ständig Stoffe entzogen
werden. In einem natürlichen Mischwald beobachtet
man im Gegensatz z. B. zur Fichtenmonokultur einen
typischen Stockwerkbau mit vielfältigen Nahrungsbeziehungen und einer großen Artenvielfalt. Durch
die einseitige Nutzung in schnell wachsenden Nadelwaldmonokulturen verarmt der Boden ebenfalls
an Mineralstoffen. Umweltfaktoren, wie z. B. Licht,
Temperatur oder die Bodenverhältnisse bestimmen
vor allem, welche Tiere und Pflanzen in dem jeweiligen Wald vorkommen.
MWalderkundung
1.
Individuelle Lösung.
2.
a) Individuelle Lösung.
b) Da die Länge des Stocks genau der Armlänge
entspricht, bildet sich ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieck zwischen Auge, Hand und Stockspitze. Bei der gewählten Position entsteht zwischen
Auge, Baumstamm und Baumspitze ein Dreieck, das
die gleichen Winkel hat und daher ebenfalls gleichschenklig ist. Die Seitenverhältnisse der beiden Dreiecke entsprechen sich, somit entspricht der Abstand
zum Baum plus die Körpergröße der Baumhöhe.
3.
Im Inneren des Waldes gelangt wenig Licht an den
Waldboden. Weiter oben ist die Lichtintensität höher. Am Waldrand ist die Lichtintensität höher als
im Waldesinneren.
4.
Experiment in Abb. 3:
Waldboden bindet die Farbstoffe. Das Wasser, das
in das Auffanggefäß gelangt, ist deshalb nur noch
schwach oder überhaupt nicht mehr gefärbt. Kies
hat keine Filterwirkung. Offensichtlich sind es die
organischen Bestandteile des Bodens, die die Farbstoffe binden.
Experiment in Abb. 4:
a) Individuelle Lösung.
Formel: Versickerungsrate = Füllhöhe/Versickerungsdauer
b) Versickerungsraten in der vorgegebenen Tabelle:
Sand: 1320 mm/h, Waldboden: 360 mm/h, Gartenerde: 420 mm/h
c) Durch Sand versickert das Wasser schnell. Sand­
boden hat viele große, offene Poren. Entscheidend für
die Versickerungsdauer ist unter anderem die Korngröße und der Gehalt an organischen Bestandteilen.
Je größer die Korngröße und je geringer der Humusgehalt, desto schneller versickert das Wasser.
Auf Freiflächen sind die Temperaturschwankungen am
größten, im Waldesinneren am geringsten. Besonders
am Waldboden schwankt die Temperatur nur wenig.
29
4.2 Der Wald ist ein Ökosystem
1.
Ökologische Nischen im Wald
1.
Abb. 1
Biozönose des Waldes
1.
Abb. 1
Umweltfaktoren des Eichhörnchens
2.
Feinde
z. B. Baummarder
Temperatur

 Eichhörnchen

2.
Buchdrucker (1), Buntspecht (2), Reh (3), Rotbuche (4), Bergahorn (5), Haselnuss (6), Habicht (7),
Baummarder (8), Eiche (9), Holunder (10), Fuchs
(11), Adlerfarn (12), Blaubeere (13), Rote Waldameise (14), Waldmaus (15), Schattenblume (16),
Haarmoos (17), Eichhörnchen (18), Große Sternmiere (19), Eichelhäher (20)
Abb. 1


Tageslänge
Nahrung
z. B. Eicheln

Grundwissen

wichtige Fachbegriffe der Ökologie
Art des Waldes
(z.B. Laub-, Nadeloder Mischwald)
Grauhörnchen,
aus Amerika eingeschleppt
Wetterereignisse,
z. B. Regen oder Schnee
(
 )biotische Faktoren
(
 )abiotische Faktoren
4.3 Leben im Waldboden
Lebewesen in der Laubstreu
1.
Abb. 1
Experiment: Lebewesen als
­Zersetzer im Waldboden
Abb. 2
Asseln - Struktur und Funktion
2., 3.
Abb. 3
Experiment zum Verhalten von
­Asseln entwerfen
30
4.
Experiment in Abb. 2:
Je nach Wärme und Feuchtigkeit und nach Anzahl
der mit der Bodenprobe eingebrachten Mikroorganismen sind mehr oder weniger große Teile der Cellulose nach ungefähr vier bis 8 Wochen zersetzt. An
der Zersetzung sind vor allem Mikroorganismen,
insbesondere Bakterien und Pilze, beteiligt.
Abwandlung, um den Einfluss niedriger und hoher
Temperaturen zu untersuchen: Zusätzlich werden
Schalen in gleicher Weise vorbereitet, eine wird an
einen kühlen Ort (z. B. in einen Kühlschrank), die
andere an einen sehr warmen Ort (z. B. in einen
Wärmeschrank) gestellt. Über den Versuchszeitraum wird in den drei Versuchsansätzen der Grad
der Zersetzung verglichen und so der Einfluss der
Temperatur ermittelt.
1.
4.
aufsteigend nach der Masse geordnet:
Wirbeltiere
Spinnen
Asseln
Schnecken, Algen
Springschwänze
Milben
Fliegenlarven
Käfer
Tausendfüßler
Einzeller
Fadenwürmer
Bakterien, Pilze, Regenwürmer
Die Aussage 0,1 g Wirbeltiere zeigt die durchschnittliche Masse an Wirbeltieren für Laubstreu in 1 m2
an. Natürlich ist ein Wirbeltier viel schwerer, allerdings finden sich in den meisten Proben überhaupt
keine Wirbeltiere (pro m2 nur 0,001 Tiere, d. h. in
1000 m2 durchschnittlich ein Wirbeltier).
mögliches Experiment:
Man klebt mit schwarzem Tonpapier den halben
Deckel einer Petrischale ab. Der Innenrand der
Petrischale wird ebenfalls mit einem eingelegten
Streifen Tonpapier abgedunkelt. Nun setzt man 10
Asseln in die Petrischale und stellt den Deckel auf
die untere Hälfte der Petrischale. Man beobachtet
genau, wie sich die Asseln verhalten, und notiert
die Beobachtungen. Dann dreht man den Deckel
etwa eine Vierteldrehung. Man beobachtet wiederum genau, wie sich die Asseln verhalten. Es folgt
die nächste Vierteldrehung.
Wenn die Hypothese zutrifft, dass Asseln Licht
meiden, dann werden sich die Asseln jeweils nach
einiger Zeit in dem Bereich sammeln, der von dem
zugeklebten Deckel verdeckt wird. Nach dem Drehen des Deckels werden sich die Asseln wieder
nach einiger Zeit in dem Bereich sammeln, der von
dem zugeklebten Deckel verdeckt wird. Falls die
Hypothese nicht zutrifft, werden im abgedunkelten
Bereich nicht mehr Asseln zu finden sein als in den
beleuchteten Bereichen.
2.
Individuelle Lösungen, z. B. in Form von Skizzen
oder Fotos.
3.
Asseln haben einen flachen Körper, mit dem sie
sich geschickt durch das Falllaub bewegen können.
Sie ernähren sich unter anderem von abgefallenem
Laub. (Durch Versuchsbeobachtungen, besonders
das Verhalten betreffend, ergänzen.)
M
Ein Lernplakat erstellen
–
31
4.4 Lichtverhältnisse im Wald
Lichtverhältnisse im Wald Anfang April Abb. 1
Angepasstheiten an die Lichtverhältnisse im Wald beim Buschwindröschen und beim Efeu
1.
Abb. 1, 2, 3
Der Waldrand – zwischen zwei
­Lebensräumen
2.
Stoffaufbau durch Fotosynthese –
Stoffabbau durch Zellatmung
3.
Lichtverhältnisse und Fotosynthese
in unterschiedlicher Höhe
4.
Abb. 1, 3
Abb. 4
1.
Im zeitigen Frühling gelangt noch viel Licht bis zum
Waldboden, da die meisten Laubbäume noch keine
Blätter ausgebildet haben. Buschwindröschen sind
als Frühblüher an diese Lichtverhältnisse im Wald
angepasst. Mit ihren grünen Blättern nutzen sie das
Licht. Durch Fotosynthese wird Glucose und daraus
der Reservestoff Stärke gebildet. In den unterirdischen Erdsprossen wird Stärke gespeichert, mit deren Hilfe Buschwindröschen im folgenden Frühjahr
wieder austreiben können. Wenn die Bäume Ende
des Frühlings ihr Laub entwickelt haben, sterben
die oberirdischen Teile des Buschwindröschens ab.
Diese Angepasstheiten gewährleisten den Lebenszyklus des Buschwindröschens. Das Sonnenlicht
wird schon früh im Jahresrhythmus genutzt. Dadurch wird die Konkurrenz mit den Laubbäumen
um die Energiequelle Licht stark vermindert.
Der Efeu ist eine immergrüne Pflanze, die auch in
schattigen Wäldern wächst. Mit Haftwurzeln hält er
sich am Untergrund fest. Auch Baumstämme können großflächig bis in die Höhe bewachsen sein.
Die Blätter sind dem Licht zugewandt und so ange-
32
ordnet, dass sie sich nicht gegenseitig beschatten.
Durch die Angepasstheiten in der Anordnung der
Blätter erhält die Efeupflanze auch in schattigen
Bereichen noch Licht und erreicht in der Höhe zusätzlich mehr sonnige Bereiche.
2.
Wälder sind Biotope für vielfältige Lebensgemeinschaften. In dieser Biozönose ergänzen sich die Lebewesen in ihren Umweltansprüchen, Konkurrenz
wird weitgehend vermindert. Am Waldrand ändern
sich biotische und abiotische Bedingungen oft auf
wenigen Metern. Lebewesen weiterer Arten, die an
diese „neuen“ Bedingungen angepasst sind, finden
hier ihre optimalen Bedingungen vor.
3.
a) In den Chloroplasten der Pflanzen entsteht durch
Fotosynthese aus den energiearmen Stoffen Kohlenstoffdioxid und Wasser in mehreren Teilschritten
der energiereichen Stoff Glucose. Ein Teil der produzierten Glucose wird für die Lebensvorgänge der
Pflanzen für die gleichzeitig ablaufende Zellatmung
benötigt. Es entstehen dabei die energiearmen Stoffe
Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Energie stammt
ursprünglich aus dem Licht. Damit die Pflanze Baustoffe für das Wachstum bilden kann, ist Glucose
als Energie liefernder Stoff notwendig. Pflanzen
können nur dort dauerhaft vorkommen und wachsen, wo der Stoffaufbau durch Fotosynthese größer
ist als der Stoffabbau durch Zellatmung, weil ohne
genügend energiereiche Fotosyntheseprodukte die
Zellatmung schließlich zum Erliegen käme.
b) Im Sommer „hungert“ der Efeu dann, wenn die
Lichtintensität in seinem schattigen Lebensraum so
gering ist, dass die Fotosyntheseleistung geringer
ist als die Intensität der Zellatmung. Zu dieser Zeit
werden im Efeu gespeicherte Reservestoffe abgebaut. Als immergrüne Pflanze kann Efeu das ganze
Jahr über Fotosynthese betreiben. Dadurch kann
das Licht über das gesamte Jahr zum Aufbau von
energiereichen Reservestoffen genutzt werden. In
der Bilanz ist die Fotosyntheseintensität dabei größer als die Intensität der Zellatmung.
4.
a)
Fotosyntheseleistung in verschiedenen Höhen des Baumes in Abhängigkeit von der Lichtintensität
Höhe (m)
Fläche (m2)
Licht (in % des
vollen Sonnen­
lichtes)
Fotosynthese
Auswertung
rel. Werte (pro m2
und Min.)
24-26
70
100
15
Maximale Fotosyntheseleistung bei
maximaler Belichtung
22-24
67
60
13
Belichtung um 40 % geringer, Fotosyntheseleistung etwas geringer,
Blattfläche lediglich um 3 m2 geringer; Ursache: Beschattung der Blätter durch die darüber befindlichen
Blätter
20-22
65
40
10
Belichtung um 60 % geringer, Fotosyntheseleistung nur ca. 2/3 im Vergleich zu den oberen Blättern, Blattfläche um 15 m2 geringer; Ursache:
Zunehmende Beschattung durch
die darüber befindlichen Blätter
18-20
45
20
5
Belichtung um 80 % geringer, Blattfläche um 25 m2 geringer; Ursache:
Weiter zunehmende Beschattung
durch die darüber befindlichen
Blätter.
16-18
25
–
–
14-16
15
–
–
12-14
10
10
2
Belichtung um 90 % geringer, Fotosyntheseleistung weniger als ein
Fünftel im Vergleich mit den oberen
Blättern, Blattfläche um 60 m2 geringer; Ursache: Extreme Beschattung durch die darüber befindlichen
Blätter
10-12
5
–
–
–
b) Die Anzahl der Blätter in verschieden Höhen
eines Baumes ist eine Angepasstheit an die Lichtbedingungen. Mit abnehmender Lichtintensität in den
zunehmend schattigeren Bereichen des Baumes
nimmt die Summe der Fläche aller Blätter ab. Die
optimale Nutzung der Lichtenergie ist gewährleistet
und der Stoff- und Energieaufwand der Fotosyntheseleistung zur Ausbildung der Blätter und ihrer
Bestandteile sind ebenfalls optimiert.
33
4.5 Standortansprüche von Rotbuche und Waldkiefer
2.
Rotbuche und Waldkiefer im
­Vergleich
Abb. 1, 2
Angepasstheiten von Rotbuche und
Waldkiefer
1.
Der Klimawandel und der Wald
2.
Abb. 4, 5
Konkurrenz zwischen Rotbuche und
Waldkiefer
3.
Abb. 3
1.
Hinweis: Zur Ermittlung von Details sind zusätzliche Recherchen erforderlich. Mikroskopische Untersuchungen können ebenfalls hilfreich sein.
a) Aufbau:
Das Rotbuchenblatt zeigt den typischen geschichteten Aufbau eines Blattes mit den verschiedenen Geweben, einer dünnen Cuticula und teils sehr großen
Zellen. Es enthält außerdem mehrere Leitbündel.
Die Fichtennadel hat nur kleine Zellen, ein Leitbündel in der Mitte und eine dicke Wachsschicht um die
Nadel herum.
Blattoberfläche:
Rotbuche: groß → kann viel Licht auffangen und
viel Wasser verdunsten
Waldkiefer: klein → Schutz vor zu großer Wasserverdunstung, nutzt das Licht nicht so effektiv wie
die Buche, aber dafür ganzjährig
Ausnutzung des Sonnenlichts:
Rotbuche: sehr gut → große Blätter, die versetzt zueinander stehen, Rotbuche wächst bei wenig Licht
Waldkiefer: braucht sehr viel Licht, kann das Licht
nicht so gut ausnutzen, da die Blattoberfläche klein ist
Wasserabgabe über die Blätter:
Rotbuche: viel, wegen großer Blattoberfläche
Waldkiefer: wenig, wegen kleiner Blattoberfläche
b) Individuelle Lösung.
34
a) Die Wohlfühlbereiche der beiden Baumarten
unterscheiden sich. Die Waldkiefer gedeiht im Vergleich zu Rotbuche gut unter trockeneren und kälteren Bedingungen. Die Klimahüllen deuten an, dass
in Zukunft die Jahresdurchschnittstemperaturen
höher sein werden, während sich die Jahresniederschlagssumme kaum ändern wird.
Die Klimahülle der Gegenwart deckt sich nur etwa
zur Hälfte mit dem Wohlfühlbereich der Waldkiefer,
während der Wohlfühlbereich der Rotbuche fast zu
100 % mit der Klimahülle der Gegenwart deckungsgleich ist. Die Klimahülle der Zukunft deckt sich
noch weniger mit dem Wohlfühlbereich der Waldkiefer, während der Wohlfühlbereich der Rotbuche
noch zu etwa 90 % mit der Klimahülle der Gegenwart deckungsgleich ist.
b) Für die im Diagramm angedeuteten erwarteten
Klimaveränderungen in den kommenden Jahrzehnten zeigt die Rotbuche offenbar deutlich bessere
Angepasstheiten als die Waldkiefer. Für die Forstwirtschaft bedeutet dies, dass das Wachstum der
Rotbuche kaum negativ beeinträchtigt werden wird,
während die Waldkiefer in Bereichen mit niedrigeren Jahresdurchschnittstemperaturen und geringeren Jahresniederschlagssummen angepflanzt werden sollte. Solche Bedingungen sind möglicherweise in höher gelegenen Waldgebieten zu erwarten.
Die Aussagekraft der Klimahüllen ist allerdings begrenzt. Es ist nicht berücksichtigt, dass im Sommer längere Trockenperioden zu erwarten sind (s.
Aufgabentext). Extreme Trockenperioden im Sommer könnten gerade für die Rotbuche ein Problem
werden, denn sie ist nur im Sommer belaubt und
braucht dann eine ausreichende Wasserversorgung.
3.
Mögliche begründete Vermutungen:
1. Die Waldkiefer ist bei häufiger Trockenheit in
der Konkurrenz im Vorteil, ebenso bei (häufigen) Spätfrösten. Unter diesen extremen Bedingungen setzt sich die Waldkiefer durch.
2. Sind diese (-extremen-) Bedingungen nicht gegeben, sollte sich die Rotbuche gegenüber der
Waldkiefer durchsetzen. Die Rotbuche kann als
heranwachsende Pflanze in sehr ausgeprägtem
Maße Schatten vertragen, also auch im Schatten
anderer Bäume heranwachsen.
3. Da die Buche einen ausgeprägten Höhenwuchs
hat, dürfte sie Waldkiefern im Laufe der Jahre
an Höhe nicht nachstehen, sie sogar übertreffen
und nun selbst viel Schatten erzeugen.
4. Weil Licht für die Biomasseproduktion per Fotosynthese unbedingt notwendig ist, schwächt ein
Buchenbestand durch Schattenwurf die Konkurrenten zumal die Schattentoleranz des Jungwuchses der Waldkiefer nur gering ausgeprägt ist.
(Die Toleranz gegenüber einem Mineralsalzmangel ist nicht relevant, weil in dem Aufgabentext
dargelegt wird, dass der Boden der Versuchsfläche
ausreichend Mineralsalze enthält.)
4.6 Spechte vermeiden Konkurrenz
Weitere Merkmale:
Angepasstheit des Körperbaus beim
Buntspecht
Abb. 1, 2
Nahrungserwerb des Buntspechtes
4.
Abb. 3, 4
Trommeln zur Arterkennung,
­Paarbildung und Reviermarkierung
Grundwissen
Weitere Spechtarten
1., 3.
Abb. 4-8
Konkurrenzvermeidung
2.
Abb. 9
1.
Art A – Schwarzspecht
Art B – Grünspecht
Art C – Buntspecht
Schwarzspecht
Grünspecht
Buntspecht
langer, kräftiger und heller
Schnabel; lang
gestreckter
schlanker Körper
mit erhältis­
mäßig großem
Kopf
kräftiger, langer
Schnabel; Kopfpartie um die
Augen herum
schwarz, nach
hinten auf zwei
Seiten keilförmig auslaufend;
Unterseite hell;
Schwanz mit
zwei Spitzen
und oben mit
bräunlichem
Ring
Federkleid im
Schwanzbereich
schwarz-weiß
gesprenkelt,
ansonsten
schwarz; breiter
weißer Streifen
auf dem Flügel;
Kopf mit schwarzer Haube,
die bis in den
Brustbereich
ausläuft; Bereich
der Augen und
Stirnpartie hell
gefärbt
Der Wendehals ist nicht beschrieben.
Steckbrief des Wendehalses: kurzer Schnabel;
braun-weiß gesprenkelte dunkle Flügel; Rücken
und Oberseite des Kopfes grau mit hellen Tupfen;
braun gesprenkelte Unterseite und Kehle; weißer
Streifen unter den Augen; lange Schwanzfedern
35
2.
Spechtart
3.
Ernährung
Schwarzspecht schlägt das ganze Jahr über die
Borke von Bäumen auf und stochert
nach Borkenkäfern und Larven
Grünspecht
hackt Löcher in den Boden und holt
mit der Zunge Ameisen aus ihren
Gängen
Buntspecht
schlägt die Borke von Bäumen auf
und sucht nach Larven des Borkenkäfers, sammelt in den Baumkronen
Insekten von Ästen und Blättern ab;
im Herbst sucht er Nüsse, ­Eicheln,
Obst und Knospen; im Winter ­ernährt
er sich von fetthaltigen ­Samen der
Fichten- und Kiefernzapfen
Grünspechte ernähren sich, anders als die anderen
Spechtarten, von Ameisen, die sie im Boden finden.
Sie stehen daher nicht mit Bunt- und Schwarzspecht
in Konkurrenz um Nahrung. Schwarzspechte ernähren sich von Borkenkäfern und ihren Larven. Auch
Buntspechte fressen Borkenkäferlarven, allerdings
wird die direkte Konkurrenz dadurch vermieden,
dass der Buntspecht auch andere Nahrungsquellen
hat: Er sammelt Insekten von Ästen und Blättern ab,
im Herbst sucht er außerdem nach Nüssen, Eicheln,
Obst und Knospen und im Winter, wenn das Nahrungsangebot sowieso knapper ist, ernährt er sich von
Samen der Fichten- und Kiefernzapfen. Durch die unterschiedliche Ernährungsweise stehen die Spechtarten kaum miteinander in Konkurrenz um Nahrung
und können zusammen in einem Lebensraum leben.
36
a)
Schwarzspecht – Baumspecht (sucht seine Nahrung
auf Bäumen)
Buntspecht – Baumspecht (sucht seine Nahrung
auf Bäumen)
Grünspecht – Bodenspecht (ernährt sich von Ameisen am Boden)
b)
Abb. 8a – Harpunenzunge
Abb. 8b – Leimzunge
Die Harpunenzunge der Baumspechte dient dem
Aufspießen der Beute. Mit ihrer Hilfe kann die Beute
durch die Öffnung aus dem Baum herausgezogen
werden. Die Widerhaken verhindern ein Entkommen. Die sehr lange Leimzunge der Bodenspechte
kann den engen Gängen der Bodenameisen folgen
und die Ameisen durch das Klebesekret erbeuten.
4.
Ameisen überwintern in tief im Boden gelegenen
Wohnbauten (50 cm tief). Der Wendehals, der sich
von Ameisen ernährt, erreicht mit seinem kurzen
Schnabel die Wohnbauten der Ameisen nicht, er
findet bei uns daher im Winter kaum Nahrung.
Deshalb verbringt er als Zugvogel den Winter in
wärmeren Gebieten, in denen er ausreichend Nahrung findet.
4.7 Schnabelformen und Angepasstheiten
Schnäbel sind unterschiedlich
­gebaut
Abb. 1
Grundwissen
Vergleich der Bauformen mit
­Werkzeug und Funktion
1.
Der Flamingoschnabel
2.
Abb. 1, 2, 3
Abb. 5
Konkurrenzvermeidung
3.
Abb. 4
b) Individuelle Lösung, z. B.:
Nektarfresser: Der Schnabel ist dünn und lang. Zudem ist er leicht gekrümmt, damit der Vogel mit
der Schnabelspitze besser bis zum Blütenboden
kommt, wo der Nektar gebildet wird.
Samenfresser: Der Schnabel ist kurz und sehr kräftig. Damit kann der Vogel harte Samenschalen öffnen um den Samen fressen zu können.
Stoßtaucher: Der Schnabel ist wie ein Dolch, spitz
und kräftig. Damit kann der Vogel bei der Jagd
­Fische aufspießen.
Fangsack-Fischfresser: Der untere Teil des Schnabels
ist sackartig ausgestülpt. Wenn der Vogel mit geöffnetem Schnabel durch das Wasser fährt, bleiben die
Fische in dem Sack hängen und können anschließend geschluckt werden.
1.
2.
a)
Schnabelform
unspezialisiert
Nektarfresser
Struktur und Funktion des Flamingoschnabels kann
man gut mit Hilfe einer Tabelle erläutern:
Struktur
Funktion
besondere Schnabelform funktioniert wie ein Sieb
feine, haarige Lamellen
darin verfangen sich Algen
an den Rändern von
und Kleinstlebewesen
Ober- und Unterschnabel
Zunge
drückt das Wasser durch
die Lamellen aus dem
Schnabel
mit Luft gefüllte Struktur ermöglicht das Halten des
im Unterschnabel
Schnabels ohne Kraftaufwand genau in der in der
Wassertiefe, in der die
meisten Kleinlebewesen
vorkommen
Samenfresser
Samen aus
­Zapfen-Fresser
Insektenfresser
Stoßtaucher
Schlamm­
stocherer
Fleischfresser
FangsackFischfresser
Meißeler
Filtrierer
Frucht- und
­Samenfresser
Aasfresser
Werkzeug
3.
Die beiden Bäcker müssen sich auf unterschiedliche
Weise spezialisieren, damit sie dauerhaft nebeneinander existieren können. Auf diese Weise gehen Kunden
in beide Geschäfte, je nachdem wann der Laden geöffnet ist oder was gerade vom Kunden gewünscht wird.
Einige Möglichkeiten sind: unterschiedliche Öffnungszeiten; unterschiedliches Sortiment an Broten, Plätzchen, Kuchen und Torten; unterschiedliches Sortiment an weiteren Produkten.
37
4.8 Konkurrenz und ökologische Nischen
Wintergoldhähnchen und Sommer1.
goldhähnchen vermeiden Konkurrenz Abb. 1-3
Das Konzept der ökologischen ­Nische
Wachstum von Gräsern mit und
­ohne Konkurrenz
2., 3.
Abb. 4
Grundwissen
3.
a)
Gemeinsamkeiten
Unterschiede
Winter- und Sommergoldhähnchen Wintergoldhähnchen
Sommergoldhähnchen
Leben in ähnlichen Revieren (Mischund Nadelwälder), die gegenüber
„Artgenossen“ v­ erteidigt werden.
Die Reviere können sich überlappen, ohne dass es zwischen den
Arten zu Streitigkeiten kommt.
Singvögel
Gesang: längere und variablere
Gesang: kürzere und weniger v­ ariable
­Phrasen
Phrasen
Ernährung: jagen häufig an densel- Ernährung: winzige Beutetiere,
Ernährung: größere Beutetiere,
ben Bäumen
Jagdstrategie: suchen ihre Bereiche ­Jagdstrategie: wechseln schnell
gründlich nach Beute ab
­zwischen den Zweigen hin und her
Aussehen: Sommergoldhähnchen
Aussehen: Der Körper der Vögel
Aussehen: Durch einen weißen Überund Wintergoldhähnchen ähneln
­erscheint durch das etwas verlän­
augenstreif, erscheint die Art etwas
sich. Sie wiegen durchschnittlich
gerte Nackengefieder rundlich. Der
bunter als das Wintergoldhähnchen.
nur etwa fünf Gramm, haben einen Kopf ist dadurch nicht klar vom
Der schwarze Streifen über dem
gelbgrünen Rücken, der Bauch ist
Körper abgehoben. Das Gefieder des Überaugenstreif ist ebenfalls etwas
weißlich grau, die Flügel sind dunk- Gesichts ist hell und über das Auge
ausgeprägter.
ler und haben zwei weiße Flügelverläuft kein dunkler Strich.
binden.
Überwinterung: ganzjährig im
Überwinterung: ziehen im Herbst in
­eigenen Revier
klimatisch günstigere Gebiete nach
Südeuropa mit guten Nahrungs­
bedingungen.
b)
In Abbildung 2 ist die Fortbewegung von Winterund Sommergoldhähnchen während der Nahrungssuche in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Man
erkennt, dass Wintergoldhähnchen über einen Zeitraum von circa 20 Minuten nur etwa 100 Meter
entfernt suchen, im Gegensatz zu den Sommergoldhähnchen, die in der gleichen Zeit teilweise über
500 Meter zurücklegen. Daraus lässt sich ableiten,
38
dass Wintergoldhähnchen relativ kleine Bereiche
gründlich und Sommergoldhähnchen größere Bereiche eher „oberflächlich“ nach Beute absuchen.
Abbildung 3 zeigt die Zusammensetzung der Beute
der beiden Goldhähnchen. Man erkennt, dass die
Art der Nahrung ähnlich ist: Beide fressen Raupen
(linkes Diagramm), Spinnen (mittleres Diagramm)
und Falter (rechtes Diagramm). Sie unterscheiden
sich jedoch in der Größe der Beute. Wintergold-
hähnchen bevorzugen eher kleine Beutetiere, Sommergoldhähnchen dagegen deutlich größere.
2.
Dort, wo alle drei Grasarten ausgesät wurden (Abbildung 4d), wächst die Trespe im trockenen Bereich des Beetes. Dort, wo sie allein steht (Abbildung 4a), ist ihr Wuchs allerdings im mittleren bis
feuchten Bereich besonders üppig, im trockenen
Teil des Beetes ist ihr Wuchs deutlich schwächer.
Sie wächst also am besten auf mittelfeuchten Böden, zumindest solange sie keine Konkurrenz durch
andere Arten hat. Die Aussage ist daher falsch.
3.
Alle drei Grasarten haben einen ähnlichen Wuchsbereich. Ohne Konkurrenz wachsen alle drei Grasarten optimal bei einer mittleren Bodenfeuchtigkeit.
Werden die drei Grasarten zusammen in einem Beet
ausgesät, so herrscht Konkurrenz. In diesem Fall
setzt sich Gras c im feuchten Bereich, das Gras b
im mittleren und das Gras a im trockenen Bereich
durch.
Dadurch, dass die drei Grasarten unterschiedliche
ökologische Nischen besetzen können, ist ein Nebeneinander der drei Grasarten im selben Lebensraum möglich.
4.9 Vielfalt der Arten
Was ist eine biologische Art?
Grundwissen
Evolution der Artenvielfalt
Grundwissen
Ordnung in der Artenvielfalt – Das
hierarchische System von Linné
1.
Jede Art hat eine eigene ökologische
Nische
2.
Jede Art hat vielfältige Angepasstheiten
3., 4.
Abb. 1
Abb. 2, 3
1.
a) Das hierarchische System von Linné ist ein Ordnungssystem von Über- und untergeordneten Einheiten. Die Gliederungsstufen sind: Reich, Stamm,
Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art. Jedes
Lebewesen kann so auf verschiedenen Gliederungsstufen einer Gruppe zugeordnet werden (hier am
Beispiel der Amsel gezeigt):
Das Reich der Animalia beinhaltet alle Tiere. Sie
lassen sich unterschiedlichen Stämmen zuordnen
(z. B. Wirbeltiere, Gliederfüßer). Zum Stamm der
Wirbeltiere gehören verschiedene Klassen: Säugetiere, Vögel, Reptilien, Amphibien und Fische. Innerhalb der Klasse der Vögel werden verschiedene
Ordnungen verwandter Vogelarten unterschieden,
u. a. gibt es die Ordnung der Sperlingsvögel. In dieser Ordnung ist eine Untergruppe, eine Familie, die
der Drosseln. Zu den Drosseln gehören neben anderen Gattungen alle Arten der Gattung „echte Drossel“ (lat. Turdus). Ein Vertreter dieser Gattung ist
die Art Amsel. Der lateinische Artname der Amsel
setzt sich aus zwei Worten zusammen, wobei der
erste Name gleichzeitig die Gattung angibt: Turdus
merula.
b) (zu dieser Aufgabe sind hier nur die wichtigsten
Merkmale genannt)
Gemeinsame Merkmale der Klasse „Vögel“: Federn,
Vorderextremitäten zu Flügeln umgewandelt, beschalte Eier, Lungen, innere Befruchtung, gleichwarm
Gemeinsame Merkmale des Stamms „Wirbeltiere“:
Wirbelsäule, Innenskelett, Kopf, Rumpf, zwei Extremitätenpaare, komplexes Nervensystem mit Gehirn
Gemeinsame Merkmale des Reichs „Tiere“: hetero-
39
troph (müssen energiereiche organische Verbindungen mit der Nahrung aufnehmen), Aufbau aus charakteristischen tierischen Zellen (ohne Zellwand).
2.
Wenn zwei Arten dieselbe ökologische Nische haben, treten sie in direkte Konkurrenz um Nahrung
und Lebensraum. Mit der Zeit wird die Art mit den
besseren Angepasstheiten sich gegenüber der anderen Art durchsetzen (erhöhter Fortpflanzungserfolg, natürliche Selektion) und die unterlegene Art
stirbt aus.
3.
a) Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere.
b) Die Arten A – G besitzen jeweils eine Wirbelsäule. Der geschlossene Blutkreislauf ist ein weiteres
Merkmal, das bei allen genannten Arten vorkommt.
Alle Arten gehören demnach zum Stamm der Wirbeltiere.
Art A: Das Merkmal „Eiablage an Land“ kann zunächst für Reptilien und für Vögel zutreffen. Die
Eigenschaft „gleichwarm“ schließt die Klasse der
Reptilien aus. Die Art A gehört zur Klasse der Vögel.
Dazu passen auch die Merkmale „vier Extremitäten
vorhanden“ (Vorderextremitäten zu Flügeln umgewandelt) und „Lungenatmung“.
Art B: Die Merkmalskombination „Eiablage im
Wasser“ und „wechselwarm“ gilt für die Klasse der
Fische und die der Amphibien. Da die Merkmale
„Metamorphose“ und „zumindest teilweise Lungenatmung“ nicht zutreffen, scheidet die Klasse der
Amphibien aus. Die Art A gehört zur Klasse der
Fische.
40
Art C, E und F: Die Merkmalskombinationen der
drei Arten sind identisch. Das Merkmal „Junge
werden gesäugt“ trifft ausschließlich für die Klasse
der Säugetiere zu. Dazu passen die weiteren Merkmalskombinationen „gleichwarm“, „Junge werden
lebend geboren“, „vier Extremitäten vorhanden“
und „Lungenatmung“. Die Arten C, E und F gehören
zur Klasse der Säugetiere.
Art D: Das Merkmal „Metamorphose“ tritt im
Stamm der Wirbeltiere ausschließlich bei Amphibien auf. Dazu passen die weiteren Merkmalskombinationen „Eiablage im Wasser“, „wechselwarm“,
„zumindest teilweise Lungenatmung“ und „vier Extremitäten vorhanden“. Die Art D gehört zur Klasse
der Amphibien.
Art G: Die Merkmalskombination „­ wechselwarm“
und „Eiablage an Land“ trifft für die Klasse der
Reptilien zu. Dazu passen auch die weitere
Merkmalskombination„vier Extremitäten vorhanden“ und „zumindest teilweise Lungenatmung“.
Die Art G gehört zur Klasse der Reptilien.
4.
Individuelle Lösungen, z. B. Vergleich von Blütendiagrammen.
Die Rosengewächse sind eine Pflanzenfamilie mit
krautigen Pflanzen, Sträuchern oder Bäumen. Sie
haben meist Blüten mit doppelter Blütenhülle und
einem deutlich ausgeprägten Blütenbecher. Zur Familie gehören neben den Rosen auch Apfel und Birne.
Die Korbblütler sind eine Pflanzenfamilie mit typischen Blütenständen in Form eines Körbchens. Die
Blütenkörbe sehen wie Blumen aus, in denen viele
kleine Einzelblüten zusammengefasst sind.
4.10 Nahrungsnetze in einem Mischwald
Nahrungsketten und Nahrungsnetze
1. a, b
Abb. 1, 2
Totholz und Artenvielfalt
1. c
Anreicherung von Schadstoffen in
Nahrungsketten
2.
Artenreicher Waldrand
3.
Abb. 3
1.
a)
Laub und Früchte → Springschwänze → Meisen →
Raubvogel
Laub und Früchte → Springschwänze → Meisen
→ Marder
Laub und Früchte → Mäuse → Raubvogel
Laub und Früchte → Regenwürmer
Blätter → Springschwänze → Meisen → Raubvogel
Blätter → Springschwänze → Meisen → Marder
Blätter → Raupen → Ameisen → Buntspecht →
Raubvogel
Blätter → Raupen → Ameisen → Buntspecht → Marder
Totholz → Springschwänze → Meisen → Raubvogel
Totholz → Springschwänze → Meisen → Marder
Totholz → Käfer/Käferlarven → Buntspecht →
Raubvogel
Totholz → Käfer/Käferlarven → Buntspecht → Marder
Totholz → Pilze
b) Individuelle Lösung.
c) Die Formulierung „Auf natürliche Weise sterbende Bäume sind aus wirtschaftlicher Sicht nicht
erwünscht“ bedeutet für die Waldwirtschaft, dass
solche Bäume frühzeitig aus dem Wald entfernt
werden sollten.
Stellungnahme: Individuelle Lösungen, z. B.:
Die Aussage ist nicht sinnvoll. Totholz bietet die
Nahrungsgrundlage für viele Organismen, insbesondere Pilze und Lebewesen des Walbodens. Da-
durch wird die Artenvielfalt im Lebensraum Wald
gefördert. Die Biomasse des Totholzes steht auch
am Anfang eines Stoffkreislaufs, in dem Mineralsalze im Boden z. B. jungen Bäumen wieder als
Pflanzennährstoffe zur Verfügung stehen.
2.
Die Nahrungskette beginnt mit Eichenblättern. In einer großen Menge an Biomasse dieser Blätter finden
sich 10 rote Punkte, welche die Schadstoffkonzentration von PCB in relativen Einheiten darstellen. Käfer
bilden das nächste Glied in der Nahrungskette. Die
Käfer nehmen im Laufe der Zeit eine größere Menge
Eichenblätter als Nahrung auf. Daraus folgt eine Zunahme der Schadstoffkonzentration, da dieser kaum
ausgeschieden wird und sich in bestimmten Geweben
anreichert. In der Biomasse der Käfer sind jetzt 11 relative Einheiten PCB vorhanden. Größere Mengen dieser Käfer dienen einem Buntspecht als drittem Glied
dieser Nahrungskette als Nahrung. Es erfolgt eine weitere Schadstoffanreicherung. In der Biomasse dieser
Buntspechte findet sich eine Konzentration von 30
relativen Einheiten PCB. In der Biomasse eines Raubvogels als letztem Glied dieser Nahrungskette beträgt
die PCB-Konzentration etwa 45 relative Einheiten.
3.
Mögliche Hypothese: Die günstigen Lichtverhältnisse an den Waldrändern bieten ideale Bedingungen
für sehr viele Tier- und Pflanzenarten. Hier kann
sich daher ein strukturreicher Waldrand entwickeln.
Der Strukturreichtum wird z. B. noch erhöht durch
vorhandenes Totholz, durch Steinhaufen, Brennnessel- und Brombeerdickichte, vegetationsfreie Stellen
oder angrenzende Wasserflächen. Die blühenden und
fruchtenden Kräuter, Sträucher und Bäume spenden
Nahrung und Deckung für eine Vielzahl von Lebewesen. Natürliche Feinde von Schadinsekten finden Unterschlupf. Da am Waldrand Wald und offene Landschaft zusammentreffen, leben hier auch Vertreter
beider Lebensräume gemeinsam. Zudem finden auch
Arten einen Lebensraum, die nur in derartigen Grenzbiotopen leben. Der Waldrand bietet daher die Voraussetzungen für ein sehr komplexes Nahrungsnetz.
41
4.11Stoffkreisläufe
Die Stoffe durchlaufen in einem
Ökosystem einen Kreislauf
1., 3.
Fotosynthese und Zellatmung
4.
Abb. 1
Abb. 2
Produktivität von Ökosystemen im
Vergleich
5.
Nutzung nachwachsender Rohstoffe
2.
Abb. 4
Abb. 3
1.
a) Pflanzen nehmen Wasser, Mineralsalze und Kohlenstoffdioxid auf. Sie produzieren Biomasse und
bilden die Nahrung für Konsumenten 1. Ordnung.
Diese können wiederum von Konsumenten zweiter
Ordnung gefressen werden. Überreste von Produzenten und Konsumenten werden durch Pilze und
Bakterien wieder zu Mineralien und Kohlenstoffdioxid umgewandelt, die erneut von Pflanzen aufgenommen werden können. Der Stoffkreislauf ist
geschlossen.
b) Der Energiefluss ist zu ergänzen: Einspeisung
durch die Sonne an die Produzenten, Wärmeverluste auf jeder Ernährungsebene, bei Produzenten und
Konsumenten, aber auch bei der Mineralisierung
(unterer Kasten).
c) Energie wird von einer Quelle (der Sonne) gespeist und fließt nur in eine Richtung, von den
Produzenten zu den Konsumenten und letztlich zu
den Destruenten (Zersetzern). Die nutzbare Energiemenge nimmt bei jedem Umwandlungsschritt
durch die Abgabe von Wärme ab. Die Energie wird
kontinuierlich entwertet.
Die Stoffe folgen einem durch die Sonnenenergie
betriebenen Kreislauf aus Aufbau von Biomasse, Zerlegung in Kohlenstoffdioxid, Wasser und
Mineralsalzen und einem erneuten Aufbau von
­
Bio­masse.
42
2.
a) Individuelle Lösung, z. B.:
Pro-Argumente: Erneuerbare Energien erschöpfen
sich nicht in absehbarem Zeitraum. Sie stehen
auch in Zukunft zur Verfügung. Im Gegensatz dazu
erneuern sich fossile Brennstoffe zwar ebenfalls,
allerdings dauert dies einige Millionen Jahre. Es
gibt viele Gründe, Energie effizient einzusetzen:
Kostensenkung, Einsparung von Ressourcen und
Schonung des Klimas durch Nutzung von Sonnenenergie, Windenergie, Wasserkraft und Bioenergie.
Contra-Argumente: Für die Nutzbarmachung der
Energie von Wind, Wasser und Co. sind meist
Eingriffe in die Landschaft nötig. Windräder z. B.
stören manche Menschen optisch und akustisch.
Die Anlagen können Vögel beim Brüten und dem
Vogelzug stören. Der Bau von Stauseen vernichtet
bestehende Biotope. Außerdem verlieren teilweise
Menschen ihr Land und ihr Zuhause. Die Energien
von Wind und Sonne sind nicht stetig vorhanden.
Ihre Speicherung ist schwierig.
b) Individuelle Lösung, z. B.:
Der Nutzungskonflikt um Anbauflächen für nachwachsende Rohstoffe einerseits und Pflanzen, die
der Ernährung dienen andererseits, wirft ethische
und kulturelle Fragen auf. Diese müssen jeweils
differenziert und global, aber auch für jede jeweilig
betrachtete Region erörtert werden.
c) Individuelle Lösung, z. B.:
Die Abbildung zeigt den Idealfall der Nutzung nachwachsender Rohstoffe: Die organischen Rohstoffe
werden aus Pflanzenmaterial gewonnen (Extraktion). Aus den Rohstoffen werden verschiedenste
Materialien und Produkte hergestellt. Nach Ablauf
ihrer Nutzungsdauer werden die Produkte kompostiert und von den Destruenten im Kompost in ihre
Bestandteile zerlegt. Der Kompost enthält die freigesetzten Mineralsalze und wird als Dünger auf den
Boden aufgebracht. Dort wachsen mit Hilfe Sonnenenergie und der Fotosynthese neue Pflanzen, die
wiederum als Rohstoffquelle verwendet werden.
In der Realität ist der dargestellte kurze Kreislauf
nicht so einfach zu erreichen. Beispielsweise sind einige Kunststoffe, auch wenn sie aus nachwachsenden
Rohstoffen entstanden sind, nur schwer zu zersetzen.
Außerdem enthalten die Materialien oft auch weitere
Substanzen, z. B. Farben oder andere Chemikalien,
die im natürlichen Kreislauf nicht zu finden wären.
3.
Eine Unterscheidung von Konsumenten 2. und 3.
Ordnung hängt von der Nahrung ab. Frisst die Eule einen Pflanzenfresser (Konsument 1. Ordnung),
kann man sie als Konsumenten 2. Ordnung ansehen. Frisst sie ein Tier, das sich von anderen Tieren
ernährt, wird sie eher als Konsument 3. Ordnung
angesehen, da ihre Nahrung aus Konsumenten 2.
Ordnung besteht.
4.
Bei der Fotosynthese werden die energiearmen anorganischen Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser
unter Energieaufwand zu dem energiereichen organischen Stoff Glucose umgewandelt. Sauerstoff
entsteht ebenfalls.
Bei der Zellatmung sind im Vergleich zur Fotosynthese die gleichen Stoffe in gleicher Menge beteiligt. Energie wird ebenfalls umgesetzt. Sie wird aber
nicht für die Reaktion der Ausgangsstoffe benötigt,
sondern auf der Seite der Produkte freigesetzt.
5.
Während der tropische Regenwald bei Jahresdurchschnittstemperaturen von 25 bis 27 Grad Celsius
wächst, betragen die Durchschnittstemperaturen
im mitteleuropäischen Wald etwa 7 Grad Celsius.
Auch die Niederschläge und die Luftfeuchtigkeit
sind im mitteleuropäischen Wald bei weitem nicht
so hoch wie im tropischen Regenwald. Der Einfluss
der Jahreszeiten auf unsere Wälder macht sich unter anderem beim Blattaustrieb, beim Blühen, bei
der Fruchtbildung und beim Blattfall bemerkbar.
Mitteleuropäische Wälder sind nicht so artenreich
wie tropische Regenwälder.
Mögliche Gründe für die unterschiedliche Produktivität der Ökosysteme:
Im tropischen Regenwald gibt es viele Niederschläge, hohe Lichtintensität und ganzjährig hohe Temperaturen. Durch sehr dichten Bewuchs und Stockwerkaufbau kann das einfallende Licht sehr effektiv
genutzt werden.
Laub- und Nadelwälder kommen in Gebieten vor,
in denen die Vegetationsperiode nur ein halbes Jahr
andauert. Die Temperaturen sind geringer als im
tropischen Regenwald. Trotz des dichten Baumbewuchses erreichen Wälder wegen der verkürzten Vegetationsperiode nicht die Produktivität des
tropischen Regenwaldes. In der Savanne sind die
Temperaturen und die Niederschläge niedriger als
im Regenwald. Der Bewuchs aus Gräsern und vereinzelten Bäumen kann das Sonnenlicht nicht effektiv nutzen. Beim Weizenfeld liegt ebenfalls eine
verkürzte Vegetationsperiode vor, da es abgeerntet wird. Der einheitliche Grasbewuchs kann das
Licht nicht so effektiv nutzen wie ein Wald. Die
Biomasseproduktion von Halbwüsten und Wüsten
wird vor allem durch Wassermangel begrenzt.
4.12 In Nahrungsketten fließt Energie
Energiefluss in Ökosystemen
1.
Abb. 1, 2
Energie aus der Nahrung
2.
Abb. 3
Verkürzung der Nahrungskette
3.
Abb. 4
1.
a) Abbildung 2 zeigt vier Ernährungsstufen mit
dem jeweiligen Energiegehalt der einzelnen Stufen.
Man erkennt, dass von der ersten Ernährungsstufe (Pflanzen) bis hin zur vierten Ernährungsstufe
(Tertiärkonsument) der weitergegebene Energiegehalt zehn Prozent der vorherigen Ernährungsstufe
ist. Auch in Abbildung 1 ist die Energieentwertung
deutlich. Die Abbildung zeigt, dass auf jeder Stufe
ein großer Teil der Energieentwertung auf die Abgabe von Wärme zurückgeht (kenntlich gemacht
durch die Wärme-Pfeile) und ein kleinerer Teil auf
43
den Verlust chemischer Energie in Form von Ausscheidungen und totem organischen Material.
b) Die Sonne liefert die Energie für alle Lebewesen. Die Pflanzen wandeln diese Energie durch die
Fotosynthese in chemische Energie um, die andere
Konsumenten dann nutzen. Ein Großteil der Energie wird pro Ernährungsstufe in Form von Wärme
für das System entwertet.
c) Die Nahrungsmenge (Energiegehalt) würde für
mehr Stufen nicht reichen.
2.
a) Abbildung 3 zeigt die prozentualen Anteile der
Energieumwandlung. Der Salamander gibt 32 Prozent der in der Nahrung enthaltenen Energie als
Wärme und 19 Prozent über den Kot ab; 49 Prozent
nutzt er zum Aufbau seiner Körpersubstanzen. Im
Gegensatz dazu verliert die Maus 81 Prozent über
die Wärmeabgabe und 17 Prozent durch den Kot.
Lediglich zwei Prozent können zum Aufbau der
Körpersubstanzen genutzt werden. Die Ursache
liegt darin, dass die Maus ein gleichwarmes Tier ist
und zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur
sehr viel Stoffwechselenergie investieren muss. Der
Salamander ist ein wechselwarmes Tier, seine Körpertemperatur hängt von der Umgebung ab.
b) Lachse sind Fische und damit wechselwarme
Tiere. In den Aquafarmen sind ihre Lebensfunktionen in ihrer Intensität den relativ niedrigen Wassertemperaturen angepasst. Der Energiegehalt der
Nahrung wird nicht zur Aufrechterhaltung einer
höheren Körpertemperatur genutzt. Dadurch wird
entsprechend mehr Energie der Nahrung in den
Aufbau von Körpersubstanzen investiert als dies bei
Schweinen als gleichwarme Organismen möglich
ist. Bei gleichwarmen Tieren ist die Energieentwer-
44
tung der Nahrung durch die höhere Wärmeabgabe
größer als bei wechselwarmen Tieren.
3.
Gezeigt sind vier Nahrungspyramiden. Die Basis
jeder Pyramide stellt die Organismen des pflanzlichen Planktons als Produzenten dar. Darüber sind
die Primär-, Sekundär- und Tertiärkonsumenten
und zuletzt der Konsument „Mensch“ angeordnet.
Links: Ein Mensch ernährt sich von 360 Dorschen,
die wiederum von 90 000 Sandaalen usw. Der stufenweise Abbau von Biomasse und die fortschreitende Entwertung der Energie in Nahrungsketten
zu Wärme haben zur Folge, dass für den Menschen
als Endverbraucher und letztes Glied der Nahrungskette nur wenig der ursprünglich im pflanzlichen
Plankton gebundenen Energie zur Verfügung steht.
Von links nach rechts wird immer die Stufe unterhalb des Menschen weggelassen. Die Nahrungskette wird also verkürzt. Fehlen die Dorsche, können
statt eines Menschen jetzt 30 Menschen leben, da
nicht mehr so viel der ursprünglich im pflanzlichen
Planktongebundenen Energie entwertet wird. Fehlen als Konsumenten auch die Sandaale und das
pflanzliche Plankton (rechte Pyramide), können daher von der in 1000 Tonnen pflanzlichem Plankton
enthaltenen Energie nun 2000 Menschen leben.
Mögliche Aussage: Durch die lange Nahrungskette
wird sehr viel pflanzliches Plankton benötigt, um
einen Menschen als Endverbraucher zu ernähren.
Das bedeutet: eine Verkürzung der Nahrungskette
erhöht die Energieausnutzung. Menschen, die sich
überwiegend von Pflanzen ernähren, nutzen die
durch Pflanzen gebundene Energie daher effektiver
als hauptsächlich Fleisch verzehrende Menschen.
5
Ökosystem See
5.1 Lebensraum Süßwasser
Lebensraum Süßwasser
Abb. 1
Abiotische Faktoren und Angepasstheiten
Abb. 1, 2
Einteilung von Gewässern – Steckbriefe
1., 2.
Ein Fluss
3.
Abb. 1, 2, 3
1.
a)
Gewässer
a Gebirgsbach
b Talsperre (künstlich angelegter See)
c Teich
d schiffbarer Kanal
e überschwemmte Wiese
f Baggersee/Badesee
g Tümpel im Wald
b)
Steckbrief
4
5
Steckbrief
2
–
1
3
7
6
8
Gewässer
Kleinstgewässer
Teich
c) Steckbrief zur Talsperre: große Wasserfläche, in
Bergregion gelegen, sehr tief, Strömung gering bis
fehlend, Wasserstand kann im Laufe eines Jahres
über mehrere Meter schwanken, daher kein deutlicher Uferbewuchs, Wasser meist klar und kalt
d)
Einteilung von Gewässern
Kleinstgewässer
Tümpel
Weiher
Teich
See
Bach
Fluss
Steckbrief
4
7
–
5
6
1
3 (hier kanalisiert)
2.
Individuelle Lösung, z. B.:
Ein Fluss im Tiefland hat oft ein Flussbett aus feinem Material z. B. aus Sand. Der Flusssaum wird
von natürlichen Wällen oder Abbruchkanten gebildet, die bei Hochwasser überflutet werden können. So ist auch die Umgebung des Flusses durch
ihn geprägt, sofern nicht Deiche verhindern, dass
er über die Ufer tritt. Der Flusslauf verläuft häufig bogen- oder schlängelförmig (Mäander) durch
Wiesen, Auen und sumpfiges Land. Der Fluss erwärmt sich als tiefes Fließgewässer nur langsam,
Der Sauerstoffgehalt kann an der Oberfläche durch
Strömungen, Wellenbildung und Regen hoch sein.
In größeren Tiefen fehlen diese Einflüsse, sodass
dort der Sauerstoffgehalt niedriger sein müsste.
45
5.2 Nahrungsbeziehungen im See
Was lebt in einem See?
Abb. 1
Beziehungen zwischen den
­Organismen
Abb. 1, 2
2.
Basiskonzepte
3.
Abb. 1
1.


Mückenlarve
Stockente
Stichling

Haubentaucher
c) Zum Nahrungsspektrum der Spitzschlammschnecke zählen neben Algen weiche und verrottende Teile anderer Wasserpflanzen. Die Schnecke
selbst zählt zum Nahrungsspektrum der Stockente.
Rohrkolben
Schilf
Seerose
Froschlöffel
Stockente

Wasserpest

Wasserlilie


Spitzschlamm schnecke

a) Gemeinsamkeiten: gehören zu einer Biozönose,
Mitglieder einer oder mehrerer Nahrungsketten
Unterschiede: Produzenten produzieren Biomasse, Konsumenten ernähren sich von der Biomasse
anderer Lebewesen und Destruenten nutzen die
Biomasse toter Lebewesen als Nahrung und bauen
diese dabei ab.
b) Biozönose: Ein See ist ein abgrenzbarer Lebensraum mit den verschiedensten Organismen. Diese
stehen untereinander in Beziehung, sie bilden eine
Lebensgemeinschaft. Die Gesamtheit einer solchen
Lebensgemeinschaft wird als Biozönose bezeichnet. Die Wechselwirkung besteht über Nahrungsbeziehungen zwischen Produzenten, Konsumenten
und Destruenten.
Biotop: Der Lebensraum mit den dort herrschenden
abiotischen Faktoren wird als Biotop bezeichnet.
Zu den abiotischen Faktoren zählen die Sonneneinstrahlung, die Wassertemperatur und die Wassertiefe. Auch der Gehalt an Mineralsalzen nimmt
Einfluss auf das Wachstum der Produzenten. Eine
besondere Bedeutung hat der Sauerstoffgehalt des
Gewässers.
Ökosystem: Es besteht aus dem Biotop und der zugehörigen Biozönose. Man kann den See als ein gro-

1. b

Einflüsse auf Lebewesen → Biotop,
Biozönose, Ökosystem
Abb. 2


1. a, 2.
a) 1-12: Produzenten: Pflanzen, die Fotosynthese
betreiben. Sie stellen mit Hilfe des Sonnenlichts aus
den energiearmen Stoffen Wasser und Kohlenstoffdioxid energiereiche Glucose her. Sauerstoff wird
abgegeben.
13-25: Konsumenten: Tiere, die energiereiche pflanz­
liche oder tierische Biomasse als Nahrung aufnehmen.
Kohlenstoffdioxid und Wasser werden abgegeben.
26, 27: Destruenten: Kleinlebewesen, die totes organisches Material als Nahrung aufnehmen und zu
anorganischen Stoffen abbauen.
b)
Gelbrandkäfer

Produzenten, Konsumenten,
­Destruenten
46
ßes Ökosystem mit vielen kleineren Lebensräumen
ansehen. Diese Lebensräume wie der Uferbereich,
die Wasseroberfläche, das tiefere Wasser und der
Untergrund stehen über Vernetzungen miteinander
in Verbindung.
Wasserlinse
Hornblatt
Tausendblatt
d) Teichmuscheln filtrieren Schwebstoffe aus dem
Angelgewässer. Diese bestehen aus abgestorbenen
Pflanzenteilen, zersetzten Tierteilen und Plankton.
Dadurch tragen sie dazu bei, dass das Gewässer
klar bleibt.
3.
Beispiele für Zuordnungen:
Struktur und Funktion: Mückenlarven hängen an
der Wasseroberfläche und atmen durch ein Rohr am
Hinterleib. Erwachsene Mücken saugen Pflanzensäfte oder sind Blutsauger. Diese Angaben verdeutlichen
auch den Bau der Organismen, mit dem sie an eine
bestimmte Aufgabe, hier die Atmung und die Ernährung, besonders angepasst sind. Viele Informationen
zu Struktur und Funktion erkennt man auch in Abbildung 1, z. B. bei den Flügeln der Stockenten.
Variabilität und Angepasstheit: Die jeweiligen Bereiche des abgebildeten Sees sind von Lebewesen
besiedelt, die an die jeweiligen Bedingungen angepasst sind. So ist z. B. der Stichling durch seine
Kiemen an die Sauerstoffaufnahme im Wasser angepasst.
Stoff- und Energieumwandlung: Produzenten, z. B.
Wasserlinsen oder Algen, bauen durch die Fotosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mit
Hilfe der Energie des Sonnenlichts energiereiches
organisches Material auf, das den Konsumenten,
z. B. den Stockenten, und Destruenten, z. B. der
Spitzschlammschnecke, als Nahrung dient. Dabei
finden sowohl eine Stoffumwandlung als auch eine
Energieumwandlung statt.
6.3 Zonen im See
Fachbegriffe der Ökologie
1.
Grundwissen
Lebewesen in und an einem See
2. a
Abb. 1
Beziehungen im See
2. b-d
Abb. 1, 2
Angepasstheiten von Schilf und
­Gelber Teichrose
3.
Abb. 2, 3
1.
Zonen des Sees
Abiotische Faktoren
Bruchwaldzone
unterschiedliche Wasserstände,
hoher Grundwasserspiegel,
manchmal starker Wind
Röhrichtzone
flaches Wasser, Schlamm als
Untergrund, Sauerstoffarmut
im Schlammbereich, geringere
Wassertiefe, ggf. Wellengang
Schwimmblattzone flaches Wasser, Schlamm als
Untergrund, Sauerstoffarmut
im Schlammbereich, w
­ eniger
geringe Wassertiefe, ggf.
­Wellengang
Tauchblattzone
tieferes Wasser, geringe Lichtstärke in der Tiefe, Boden häufig dick mit Schlamm bedeckt,
Schlammschicht ohne Sauerstoff, Faulgase bei anaeroben
Bedingungen
47
2.
Strukturen Buchenblatt
Blatt der Gelben Teichrose Angepasstheiten der Gelben Teichrose
Kutikula
bedeckt die obere ­Epidermis nicht vorhanden
Die Funktion der Kutikula ist bei den Laubblättern der Verdunstungsschutz. Erbliche
Merkmale unterliegen der natürlichen
Selektion Die Schwimmblätter der Gelben
Teichrose befinden auf und unter der Wasseroberfläche, sodass eine Kutikula kein
vorteilhaftes Merkmal darstellt.
Obere
größere Zellen ohne Chloro- kleinere, grün gefärbte
Über die Spaltöffnungen erfolgt ein Gas­Epidermis plasten
­Zellen in lockerer Anordaustausch. Durch Lufträume im Blattge­
nung, Spaltöffnungen
webe gelangt Luft bis in den Wurzelbereich im anaeroben Schlamm. Dieser erhält
dadurch auch den Sauerstoff der Luft.
Palisaden- dichte Schicht aus langgelockere Schicht aus lang­ In den Chloroplasten findet Fotosynthese
gewebe
streckten Zellen mit vielen
gestreckten Zellen mit
statt. Die lockere Anordnung gewährleistet
Chloroplasten
­Chloroplasten
eine Durchlüftung.
Schwamm- Unregelmäßig geformte,
Mehr rund geformte,
Neben der Funktion der Durchlüftung begewebe
chloroplastenhaltige Zellen, chloro­plastenhaltige
kommen die Schwimmblätter durch Luftzwischen denen sich mit Luft Zellen, die Luftkammern
kammern Auftrieb.
gefüllte Hohlräume befinden umschließen
Festigungs­ fehlen
Regelmäßig z­ wischen den Festigungselemente stabilisieren die Luftelemente
Zellen des Schwamm­
kammern und fördern die Durchlüftung.
gewebes verteilt
Untere
größere Zellen ohne Chloro- kleinere, grün gefärbte
Licht gelangt durch das lockere Blattgewe­Epidermis plasten, die mit Spaltöffnun- ­Zellen, ohne Spaltöffnun- be bis in den Bereich der unteren Epidergen in Kontakt sind
gen
mis und wird absorbiert.
Spalt­
in die untere Epidermis ein- in der oberen Epidermis
Ein Gasaustausch mit der Luft ist in der
öffnungen gelagert
unteren Epidermis nicht möglich, da das
Blatt der Gelben Teichrose auf dem Wasser
liegt. Die Spaltöffnungen befinden sich als
Angepasstheit in der oberen Epidermis.
3.
Die Standorte für Schilfrohr und Gelbe Teichrose sind
sehr ähnlich (schlammiger Uferbereich), sie überlappen sich zum Teil. Die Wurzeln dieser Pflanzen
benötigen Sauerstoff, den sie nicht aus der direkten
Umgebung beziehen können (anaerobe Umgebung).
Beide Pflanzen haben im Innern jedoch miteinander
verbundene Hohlräume, die ein System zur inneren
Belüftung bilden. Mit den vielen Wurzeln und den verzweigten Wurzelsprossen sind beide Pflanzen fest im
Boden verankert. Beide Arten vermehren sich durch
Ausläufer und Früchte, die allerdings auf unterschiedliche Art verbreitet werden. Schilf ist auf flaches Wasser spezialisiert. Die starre Sprossachse ermöglicht ein
48
dichtes Zusammenstehen der Pflanzen. So benötigen
die Fotosynthese betreibenden Blätter ebenfalls wenig
Platz. Zwischen den Schilfpflanzen bleibt für andere Pflanzenarten wenig Platz und Licht. Im tieferen
Wasser ist eine starre Sprossachse ungünstig, weil sie
Wellen und Strömungen mehr Widerstand bietet. Die
Gelbe Teichrose besitzt eine flexible Sprossachse, die
aber nicht starr genug ist, um Blätter außerhalb des
Wassers zu tragen. Sie besitzt Schwimmblätter, die
vom Wasser getragen werden. Im Überlappungsbereich der Standorte beider Pflanzen konkurrieren die
beiden Arten hauptsächlich im Wurzelbereich um den
Platz durch die Bildung von Ausläufern.
5.4 Fressen und gefressen werden – der Wasserfloh
Mikroskopieren von Wasserflöhen
1.
Männchen, Dauereier und Jahreszeit
Abb.1, 2
Fortpflanzung bei Wasserflöhen
2.
Grundwissen
1.
a) Individuelle Lösung.
b) Individuelle Lösung.
2.
a) Schlüpfen von Weibchen im Frühjahr → nach
Geschlechtsreife (6 Tage): Legen von bis zu 20
unbefruchteten Eiern alle drei Tage, den ganzen
Sommer über → Daraus schlüpfen Weibchen, un-
3.
a) Wasserflöhe besitzen als Angepasstheit das erbliche Merkmal, Helm und Stachel ausbilden zu können, wenn Kairomone als Signalstoffe vorhanden
sind. Diese Stoffe werden von Räubern freigesetzt,
wenn sie Wasserflöhe fressen. Sind nur wenige Räuber vorhanden, gelangen Kairomone in sehr geringer Konzentration in das Gewässer. Offenbar genügt
4.
Abb.5
Feindabwehr
3.
Abb.3, 4
ter bestimmten Bedingungen entstehen aus einigen
Eiern auch Männchen → Herbst: Weibchen und
Männchen → Befruchtung von zwei Eiern in den
Weibchen → Aufbewahrung im Brutraum → Hülle
um die Eier bei der nächsten Häutung → Dauereier
→ Überwinterung → Im Frühjahr Schlüpfen von
Weibchen
b) Ein Weibchen kann in 18 Tagen bis zu 246 140
Nachkommen haben (siehe Skizze).
die freigesetzte Menge nicht, das Wachstum von
Helm und Stachel zu veranlassen.
Wasserflöhe mit Helm und Stachel kommen in einer
Umgebung mit vielen Räubern als natürliche Feinde
vor. Die Nachkommen besitzen diese vorteilhaften
Merkmale nicht erst nach einigen Tagen sondern
schon zu Beginn ihres Lebens. Sie sind dadurch in
dieser Umgebung sofort geschützt.
49
b)
4.
In der Nacht halten sich Wasserflöhe in den oberen
Gewässerschichten auf, egal ob Fressfeinde im Gewässer vorhanden sind oder nicht. Am Tag bleiben
sie in diesen Schichten, wenn keine Fressfeinde da
sind. In einem Gewässer mit Fressfeinden suchen
die Wasserflöhe dagegen am Tag tiefere Gewässerschichten auf. Das hat vermutlich den Vorteil, dass
sie von den Fressfeinden nicht so leicht gesehen
und erbeutet werden können. Es handelt sich um
eine Angepasstheit durch erblich bedingte vorteilhafte Verhaltensweisen.
Bei Nahrungsmangel werden Männchen und Dauereier gebildet, Das kann zu Beginn von Hitze- oder
Trockenperioden sein, oder im Herbst. Die Bildung
von Dauereiern wird noch verstärkt durch eine
kürzere Tageslänge, wie sie im Herbst auftritt. Im
Herbst kommt es durch zurückgehendes Algenwachstum ebenfalls zu Nahrungsmangel. Durch
die Kombination von Nahrungsmangel und kurzer
Tageslänge ist gewährleistet, dass im Herbst viele
Dauereier entstehen, die den Winter überdauern
können.
5.5 Stoffkreislauf im See
Stoffkreislauf und Energiefluss
1., 3.
Abb. 1
Nahrungspyramide
2., 4.
Abb. 2, 3
Eine neue Art verändert den
­Lebensraum
5.
Abb. 4
1.
a) Pflanzen (Produzenten) wandeln die Energie
der Sonne in organische Substanzen um (a). Diese Substanzen enthalten chemische Energie. Die
Pflanzen werden von den Konsumenten 1. Ordnung
gefressen(b); diese wiederum von Konsumenten 2.
Ordnung usw. (c, d). Am Schluss dieses Kreislaufs
stehen die Destruenten (e); sie bauen die abgestorbene Biomasse in Kohlenstoffdioxid, Mineralsalze
und Wasser ab und machen sie so wieder zugänglich für die Pflanzen.
50
Bei jedem „Schritt“ wird ein Teil der Energie für den
eigenen Körperaufbau verwendet (10 %); der Rest
wird für Lebensvorgänge genutzt beziehungsweise
geht als Wärme verloren (90 %). Wenn man den
Weg über alle dargestellten Stufen betrachtet, sind
in der Stufe e noch 0,01 % der Energie der Stufe a
enthalten (a: 100 % → b: 10 % → c: 1 % → d: 0,1 %
→ e: 0,01 %).
b) Die „Stoffe“ durchlaufen einen Kreislauf: Angefangen von den Produzenten über die Konsumenten
und Destruenten wieder zu den Produzenten.
Die Energie kommt von der Sonne. Sie wird im Laufe der Nahrungskette entwertet und geht als Wärme
verloren. Daher spricht man nicht von einem Kreislauf, sondern von einem Energiefluss.
2.
100 g Kleinfische → 1 kg Büschelmückenlarven →
10 kg Wasserflöhe → 100 kg Plankton.
Die ursprüngliche Energie für das Wachstum des
pflanzlichen Planktons kommt über die Fotosynthese aus der Energie der Sonne.
3.
Wärme
Sonne
A uss
che
id
fdiox
stof lsalze
n
e
hl era r
Ko MinWasse
ng
Tier
e
Wärme
ere
e
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en
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Tie
t
to
e
tot
Wärme
en
tote
zen
lan
f
P
tote
i
he
c
s
Aus
idu
Wärme
Wärme
Begründung: Die Ausscheidungen der Tiere enthalten organische Stoffe, die von den Destruenten in anorganische Stoffe umgewandelt werden. Die Produkte, Mineralsalze, Kohlenstoffdioxid und Wasser, werden
von den Produzenten aufgenommen.
4.
5.
a) Die Nahrungspyramide stellt eine Nahrungskette
grafisch dar. Die „Basis“ stellen die Pflanzen als
Produzenten dar, darauf aufbauend folgen die Konsumenten, die von ihnen leben. Das Schema hat die
Form einer Pyramide, da die Anzahl der Konsumenten, die von den Lebewesen der darunter liegenden
Stufe leben, immer geringer ist, als die Anzahl der
Lebewesen der unteren Schicht.
b) Beide Modelle stellen die Nahrungskette Produzent → Konsument dar. Der Unterschied besteht
in der Art und Weise der Darstellung. Anhand des
Pyramidenmodells lassen sich keine quantitativen
Rückschlüsse ziehen. Im Gegensatz dazu ist dies
bei dem Stufenmodell möglich: Es wird deutlich,
dass von Stufe zu Stufe etwa 90 Prozent der Energie
entwertet werden.
Mögliche Hypothese: Die Grünfärbung wurde durch
die vielen Algen verursacht. Vor dem Einsetzen der
großen Raubfische hatten vielerlei kleine Raubfische
die Wasserflöhe und das übrige tierische Plankton dezimiert. So konnten sich die Algen stark vermehren,
da sie von den wenigen Wasserflöhen nicht in genügend großer Menge gefressen werden konnten. Aber
die kleinen Raubfische, die noch vor Kurzem die Nahrungskette im Peter Lake dominiert hatten, standen
nach dem Einsetzen der großen Raubfische nicht mehr
länger an der Spitze der Nahrungskette. Die eingesetzten Raubfische hatten die Anzahl der kleinen Raubfische deutlich verringert. In der Folge wurde nicht
mehr so viel tierisches Plankton gefressen. Die Zahl
der Wasserflöhe und anderen Kleinstlebewesen nahm
wieder zu. So wurden durch sie nun viel mehr Algen
gefressen und das Wasser im Peter Lake wurde klar.
51
5.6 Überdüngung eines Sees
2.
Zeitungsartikel „Blaualgen töten
Tausende Fische im Dümmer“
Abb. 1
Eutrophierung eines Sees
1.
3.
Abb. 2
Versuche zum Pflanzenwachstum
2.
Die Dümmerproblematik
3.
Abb. 4
Sichttiefen im Plöner See
4.
Abb. 3
1.
Mineralsalzarmer See mit 5 mg Phosphat pro m3,
nur wenig Algen (5 g/m3), daher hohe Sichttiefe
→ Zufuhr von Mineralsalzen (Dünger, Gülle, Abwasser, ...) → Mineralsalzgehalt steigt bis 1990 auf
80 mg Phosphat pro m3 → Algenwachstum steigt
(85 g/m3) → die Sichttiefe nimmt ab → mehr Nahrung für Konsumenten → mehr pflanzenfressende
Fische (z. B. Karpfen 20 % → 35 %) und weniger
räuberische Fische, da geringere Sichttiefe (Werte
80 % → 65 %) → mehr tote Tiere und Pflanzen →
Abbau durch Zersetzer (Bakterienanzahl/ml: 10-100
→ 100 000-1 000 000) → erhöhter Sauerstoffbedarf →
Sauerstoffmangel (10 mg/l → 3 mg/l) → Sauerstoff
reicht nicht → ggf. Massensterben (z. B. der Fische)
52
Individuelle Lösung.
Individuelle Lösung.
4.
Mögliche Begründung: Im Winter ist die Sichttiefe
aufgrund des geringen Algenwachstums im kalten
Wasser relativ hoch. Wenn das Wasser im Frühjahr wärmer wird, vermehren sich das pflanzliche
Plankton und anderen Algen rasch. Aufgrund der
Vermehrung wird das Wasser trübe und erscheint
meist grün oder braun. Dadurch sinkt die Sichttiefe
ab. Zur Zeit des Anstiegs der Algendichte ist die
Zahl des tierischen Planktons noch gering, sodass
der Abfall der Sichttiefe relativ steil ist. Die Algen
bieten Nahrung für tierisches Plankton, das sich
nun schnell vermehrt. Da die Algen die Nahrungsgrundlage des tierischen Planktons sind, nimmt die
Menge der Algen ab. In der Folge steigt die Sichttiefe
im Mai bzw. Juni wieder an. Sind weniger Algen
vorhanden, sinkt zeitversetzt auch die Zahl des tierischen Planktons. Kurz darauf steigt wiederum die
Algendichte, da die Algen nicht mehr so stark gefressen werden und die Wassertemperatur und die
Sonneneinstrahlung noch hoch sind. So erklärt sich
die geringe Sichttiefe im Sommer und Spätsommer.
Wenn im Herbst die Tageslänge abnimmt, sterben
viele Algen durch Lichtmangel ab und sinken zu
Boden. Daher steigt in diesem Zeitraum die Sichttiefe wieder an. Das Wasser ist im Winter, wenn alle
Algen abgestorben sind, wieder klar.
6Nachhaltigkeit
6.1 Wälder verändern sich
Von der Tundra zum Wald,
­Sukzession
Abb. 1
Waldzusammensetzung und Klima
1.
Abb. 3, 4
Eigenschaften von Pionier- und
Schlussbaumarten
3.
Jahresringe und Baumgeschichte
3.
Abb. 1, 2, 4
Abb. 5
b) In Abbildung 3 erkennt man, dass sich die Temperatur zwischen 8000 und 6000 Jahren vor heute
erhöht hat. Parallel dazu hat sich die Zusammensetzung der Bäume verändert: Es kam zum Rückgang
von Birke und Kiefer und zur Zunahme von Hasel,
Ulme und Eiche. Auch in den weiteren Jahren zeigt
sich, dass sich mit veränderter Temperatur die Zusammensetzung der Bäume verändert. Die bekannten Ansprüche der Bäume lassen Rückschlüsse auf
das damalige Klima zu. Vor 10 000 Jahren wuchsen zunächst Arten, die Kälte gut vertragen haben.
Diese Pionierbaumarten waren auch in Bezug auf
andere Ökofaktoren anspruchslos. Mit höheren
Temperaturen wurden diese Arten teilweise durch
andere Arten verdrängt, die an höhere Temperaturen besser angepasst waren.
1.
2.
a)
a) Der Baum ist circa 36 Jahre alt.
b) Die Breite der Jahresringe ist abhängig von den
Vegetationsbedingungen, die im Jahr vorgelegen
haben. Dicke Jahresringe zeigen einen feuchten
und warmen Sommer an.
Zeit vor heute in Jahren Anteile der Baumarten
10 000
hauptsächlich Birke und
Kiefer
18 000
weniger Birke und hauptsächlich Kiefer
16 000
wenig Birke, wenig Kiefer,
etwas Hasel, hauptsächlich
Ulme, etwas Eiche, wenig
Erle
14 000
wenig Birke und Kiefer,
mehr Hasel, weniger Ulme,
mehr Eiche, etwas mehr
­Erle, vereinzelt Fichte
12 000
wenig Birke, Kiefer, Hasel,
Ulme, weniger Eiche, mehr
Erle, etwas mehr Rotbuche,
wenig Fichte
heute
wenig Birke, Kiefer, Hasel,
Ulme, Eiche, Erle, viel Rot­
buche, wenig Fichte
3.
Die Eigenschaften der Bäume, die in Abbildung 2
dargestellt sind, passen zu den Bedingungen, die
zu den entsprechenden Zeiten in den jeweiligen
Lebensräumen vorgeherrscht haben. Zur Zeit der
Pionierbäume waren die Flächen noch nicht voll bewachsen, es gab wenig Konkurrenz, viel Licht und
extreme Klimabedingungen. Die „Schlussbäume“
zeichnet aus, dass sie unter Konkurrenz bei weniger
extremen Klimabedingungen wachsen können.
Typische Pionierarten sind konkurrenzschwach
und werden im Verlauf der biologischen Sukzession durch andere Arten verdrängt. Dies ist dadurch
zu erklären, dass Vorteile in einem Bereich, wie besonders hohe oder schnelle Samenproduktion, bei
limitierten Ressourcen durch Nachteile in anderen
Bereichen, z. B. bei der Wuchshöhe, „erkauft“ wer-
53
den müssen. Durch die von den Pionierbaumarten
veränderten Standortbedingungen können sich nun
andere Arten ansiedeln. Sie sind anspruchsvoller
als die Pionierarten und besitzen eine höhere Produktivität. Sie sind durchsetzungsfähiger als die
Pionierarten, weil sie über andere ökologische Stra-
tegien (zum Beispiel bei der Vermehrung) verfügen,
und verdrängen daher die Pionierarten. Auch sie
verändern die Standortfaktoren und ermöglichen so
noch anspruchsvolleren und produktiveren Pflanzen die Ansiedlung, bis die sehr konkurrenzstarken
Schlussbaumarten vorherrschen.
6.2 Nachhaltige Entwicklung
1.
Die Heidelandschaft um 1850 – eine
Umweltkatastrophe
Abb. 1
Nachhaltige Entwicklung – drei
­Säulen der Nachhaltigkeit
Grundwissen
Kurzreferat: Carlowitz und die „nachhaltende“ Nutzung des Waldes
1.
Mehr „nehmen als nachwachsen
kann“
2.
Individuelle Lösung.
2.
Abb. 2
Individuelle Lösung, z. B. Erläuterungen zu folgenden Themen:
– Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas)
–Wasserqualität
–globale Ernährungsproblematik
–Überfischung der Meere
–Regenwaldproblematik
–…
6.3 Vom natürlichen Wald zur Waldwirtschaft
Waldgeschichte in Mitteleuropa
4.
Abb. 1-4
Grundwissen
Bevölkerungsentwicklung und Waldnutzung im Mittelalter
2., 3.
Heute: Prinzipien naturnaher
­Waldwirtschaft
4.
54
Abb. 5
Abb. 6
1.
Stichworte aus dem Grundwissentext:
–Rodung für Ackerbau
–Rodung zur Gewinnung von Brennholz für verschiedene Zwecke (vor allem bis zum Aufkommen der Kohle im 19. Jh., siehe Abb. 1 und 4)
–Wald als Weidefläche für Schweine, Rinder, Pferde und Ziegen (z. B. im Mittelalter, siehe Abb. 2)
–Entnahme von Laub als Stalleinstreu und von Eicheln und Bucheckern als Tierfutter
– Aufforstung mit Nadelbäumen (nach der „Waldverwüstung“ im 18. Jh., führte zu Waldbeständen mit
art- und altersgleichen Nadelbäumen, siehe Abb. 3)
–Überführung von Nadelwaldmonokulturen in
Mischwälder mit heimischen Gehölzen (naturnahe Waldwirtschaft, ab dem 20. Jahrhundert mit
dem Anspruch der Nachhaltigkeit)
2.
Bis 700 n. Chr. war die Bevölkerungszahl in Mittel­
europa klein, das überwiegend bewaldete Land
wurde nur relativ kleinflächig für den Ackerbau
gerodet. Da die Bevölkerungsdichte gering war,
konnte sich der Wald vom Eingriff des Menschen
erholen. In den folgenden Jahrhunderten nahm die
Bevölkerung stark zu, von unter 500 000 im Jahr
700 auf ca. 9 Mio. um 1300. Immer mehr Menschen
nutzten den Wald zur Gewinnung von Brennmaterial (z. B. zum Kochen und Heizen), als Weidefläche
für die Nutztiere und zur Entnahme von Laub, Eicheln und Bucheckern. Bis ins 13. Jh. nahm so die
Waldfläche durch Rodung, Viehverbiss und Entzug
von Mineralsalzen dramatisch ab, das Verhältnis
von Wald zu offener Fläche kehrte sich von 70:30
(600 n. Chr.) auf 30:70 (13. Jh.) um. In den Jahren nach 1300 nahm die Bevölkerungsdichte durch
Kriege und Seuchen (z. B. Pest) wieder ab und der
Waldbestand nahm geringfügig zu.
(Die Entwicklung einer stark steigenden Bevölkerungszahl und in deren Folge einer starken Abnahme
der Waldflächen in Mitteleuropa setzte sich auch in
den dann folgenden Jahrhunderten bis ins 18. Jh.
fort. Der Wald wurde derart übernutzt, verwüstet und
zurückgedrängt, dass man von einer großen Umweltkatastrophe, der Waldverwüstung, sprechen kann.)
3.
Z. B. Göttingen, Reutlingen, Hildesheim, Mannheim, Recklinghausen, Oberhausen, Bayreuth
Orte mit diesen Endungen treten fast in ganz
Deutschland auf, besonders aber im Bereich der
Mittelgebirge, im Ruhrgebiet und in Südwestdeutschland, also in eher bewaldeten Gebieten.
Manche Endungen sind in bestimmten Regionen
besonders häufig, z. B. „-ingen“ in Baden-Württemberg: Reutlingen, Tübingen, Böblingen, Tuttlingen,
Donaueschingen etc.
4.
Einsatz von heimischen Laubbaumarten zum Beispiel dort, wo Nadelbäume geerntet wurden.
Man überlässt den Wald der natürlichen Verjüngung und greift nur pflegend ein (z. B. hinsichtlich
der Erhöhung des Anteils der Laubbaumarten und
der Altersstufen).
Mit der Zeit entwickelt sich Mischwald mit verschiedenen Höhenstufen und Alterstufen (strukturreicher Mischwald); dort keine Kahlschläge; Totholz wird nicht entfernt.
Allmählich findet so die Umwandlung von Nadelbaummonokulturen in naturnahen Wald statt.
Im naturnahen Mischwald ist die Artenvielfalt gegenüber der Monokultur stark erhöht.
6.4 Bedeutung des Waldes für den Menschen
Bedeutung von Natur und Umwelt
für den Menschen
1.
Bewuchs und Bodenerosion
2.
Abb. 1, 2
Abb. 3
Wälder, Kohlenstoffdioxid und
­Sauerstoff
3.
Oberflächentemperaturen im
­Vergleich
4.
Abb. 4
Abb. 5
55
1.
a) Wirtschaftlicher Wert/Organische Stoffe: Nachwachsende Rohstoffe, Arzneimittel aus Pflanzen
Gesundheitlicher Wert/Gesundheit und Wohlbefinden: Erholung, Sport, Freizeitgestaltung
Ökologischer Wert/Luft, Klima, Boden: CO2-Speicher
(Fotosynthese), O2-Freisetzung (Atmung), Temperaturausgleich, Windhemmung, Filter für Schadstoffe
in der Luft, Bodenaufbau, Humusbildung, Schutz
vor Bodenabtragung (Erosion), Kreislauf von Stoffen (z. B. Stickstoff, Kohlenstoff), Zersetzung toter
b)
56
Pflanzen und Tiere, Mineralsalze für Pflanzen, Abbau bestimmter Schadstoffe, Pflanzen, Tiere und
Mikroorganismen mit ­jeweils ganz bestimmter Bedeutung im Wald, Lebensraum
Kultureller Wert/Heimische Landschaft, Heimat:
Typische Landschaft und ihre Menschen, die in
Geschichten, Erzählungen, Liedern und Gemälden
dargestellt werden, Heimatkunde, Brauchtum, Heimatkultur
2.
Landschaft
Bodenverluste Wasserver­luste
durch Erosion durch Abfluss
(t pro ha)
(% des Nieder­
schlags)
Baum- und Strauch- 0
landschaft
0,4
Grasbewuchs
0
1,9
Getreidefeld
78
26
Brachland ohne
­Bewuchs
146
50
In natürlich bewachsenen Landschaften (Baumund Strauchlandschaft und Grasbewuchs) gibt
es keine Bodenverluste durch Erosion. Auch die
Wasserverluste durch Abfluss sind sehr gering, in
Baum- und Strauchlandschaften sogar nur 0,4 %
des Niederschlags. Im Getreidefeld findet bereits
eine deutliche Bodenerosion statt und der Boden
kann Wasser schlecht speichern, sodass 26 % des
Niederschlags abfließen. Besonders gravierend sind
die Zustände im Brachland ohne Bewuchs: hier gibt
es eine sehr starke Erosion und die Hälfte des Niederschlags geht durch Abfluss verloren. Je schwächer der Bewuchs des Bodens ist, umso größer sind
Bodenverluste durch Erosion und Wasserverluste
durch Abfluss.
3.
a) Der zeitliche Verlauf der Kohlenstoffdioxid-Fixierung in einem Fichtenwald zeigt deutlich Unterschiede je nach Tageszeit und Jahreszeit: Im
Sommer überwiegt tagsüber ganz deutlich die
CO2-Aufnahme (gelb-grüne Farbe) durch Fotosynthese. Nachts, im Dunkeln, ist keine Fotosynthese
möglich und die Zellatmung, in der CO2 gebildet
wird, überwiegt leicht, sodass es zu einer schwachen CO2-Abgabe kommt. Je kürzer die Tage im
Jahresverlauf werden, umso kürzer ist tagsüber der
Zeitraum, in dem die Fotosyntheseintensität hoch
ist und somit viel CO2 aus der Luft gebunden wird.
Im Winter kommt es auch tagsüber kaum noch zu
einem Fotosynthese-Überschuss gegenüber der immer stattfindenden Zellatmung, sodass die meiste
Zeit CO2-Aufnahme und -Abgabe fast im Gleichgewicht sind (rote Farbe). Auch nachts ist im Winter
der Stoffwechsel der Fichten so reduziert, dass es
durch Zellatmung nicht zu einer deutlich messbaren CO2-Abgabe kommt (keine lila Farbe).
b) Individuelle Lösung.
4.
Früh morgens sind die Oberflächentemperaturen
aller Böden sehr niedrig. Nach Sonnenaufgang steigen sie an und erreichen um die späte Mittagszeit, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, ihr
Maximum. Am späten Nachmittag, wenn der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen flacher ist, nimmt
die Oberflächentemperatur wieder ab. Schwarzer
Asphalt wird von der Strahlung besonders erhitzt;
heller Beton etwas weniger und helles Gras, das reflektiert und bei dem die einzelnen Halme Schatten
werfen, noch weniger. Im Wald ist die Oberflächenerwärmung am geringsten, da die Sonnenstrahlen
durch das Laubdach nicht bis an den Waldboden
gelangen und durch Verdunstung der Blätter die
Umgebungsluft gekühlt wird (Verdunstungskälte).
Am späten Abend und nachts speichert der Wald
dagegen die Wärme des Tages und kühlt nicht so
schnell aus wie Gras, Beton oder Asphalt.
57
MBewerten und entscheiden in ökologischen
­Zusammenhängen
1.
Individuelle Lösung.
2.
Individuelle Lösung, z. B.:
Bewertungskriterium
Rasen
Blumenwiese
ökologisch
ergänzt eine neue Struktur sofern der restliche Garten vielfältig ist, Nahrungsquelle
für einige Vögel (die obere Bodenschicht ist
beim Picken erreichbar)
Vielfalt der Pflanzenarten, gibt vielen verschiedenen Insekten Nahrung, Lebensraum
und Nahrungsquelle für viele Tierarten
wirtschaftlich
einfach zu pflegen, Mähroboter möglich
nur 1-2-mal jährlich zu mähen, einfach
­anzulegen, kann teure und aufwendig zu
pflegende Blumenbeete ersetzen
gesundheitlich
einfach zu pflegen, keine Entwicklung
von Pollen (Allergiepotenzial), nur wenig
­Insekten (z. B. keine Bienen, die unachtsame
Kinder stechen könnten), gefahrlos barfuß
zu betreten
liefert Heilpflanzen, ist schön anzusehen,
interessante Entdeckungen in der Tier- und
Pflanzenwelt möglich, Naturerlebnis vor der
Haustür
Entscheidung?
58
6.5 Tropischer Regenwald in Gefahr
Vergleich: tropischer Regenwald –
mitteleuropäischer Wald
1.
Stoffkreislauf im tropischen
­Regenwald und nach Umwandlung
in Nutzfläche
2.
Abb. 2, 3
Abb. 4
Brandrodung und Wanderfeldbau –
früher und heute
3.
Zusammenfassung: Gefährdungen
des tropischen Regenwaldes
1.
Alter
tropischer Regenwald
mitteleuropäischer Wald
hat sich in Millionen Jahren entwickelt
nach der letzten Eiszeit (ca. vor 10 000 Jahren) entstanden
Klima und Jahreszeiten ganzjährig hohe Temperaturen (25-27 °C)
und Niederschläge, keine Jahreszeiten
Durchschnittstemperatur 7 °C, geringe
Luftfeuchte und Niederschläge, große
­jahreszeitliche Schwankungen
Boden
dünne Humusschicht, wenig Mineralsalze,
feucht, sauerstoffarm
dicke Humusschicht, gut durchlüftet, reich
an Mineralsalzen
Artenreichtum
sehr hoch
geringer
typisches
Erscheinungsbild
immergrün, Stockwerkaufbau mit Baum­
riesen, Kletterpflanzen, Aufsitzerpflanzen,
am Boden dämmrig
sommergrün, Stockwerkaufbau, jedoch
nicht so ausgeprägt wie im tropischen
Regenwald, Lichtverhältnisse am Boden je
nach Jahreszeit dämmrig bis hell
Stoffkreislauf
schnell
langsam
Einfluss des Menschen Gefährdung durch Brandrodung, Plantagen, seit langem Nutzung durch den Menschen,
Straßenbau, Abholzung und anschließender kein Naturwald, sondern Kulturwald
Bodenerosion
2.
Stoffkreislauf im tropischen Regenwald:
–Pflanzen wachsen mithilfe von Wasser, Licht und
Mineralsalzen aus dem Boden.
–Abgestorbene Pflanzenteile fallen auf den Boden
und werden in der feuchten und warmen Umgebung sehr rasch abgebaut und zersetzt.
–Die dabei freigesetzten Mineralsalze werden sofort von den flach wurzelnden Pflanzen wieder
aufgenommen.
–Der Boden ist arm an Mineralsalzen und die Humusschicht dünn.
– Die dichte Vegetation schützt den Boden vor übermäßiger Bodenerosion.
Der Stoffkreislauf ist nach Umwandlung des Regenwaldes in landwirtschaftliche Nutzfläche gestört:
–Nutzpflanzen entziehen dem Boden Mineralsalze, um zu wachsen und Früchte zu bilden.
–Die Mineralsalze werden mit den Früchten abtransportiert und gelangen nicht durch Zersetzung abgestorbener Pflanzenteile zurück in den
Boden.
– Der Boden verarmt mehr und mehr an Mineralsalzen.
– Die dünne Humusschicht ist den täglichen Regengüssen fast schutzlos ausgesetzt und wird weggespült (Erosion).
59
3.
a) Bei der Brandrodung für Wanderfeldbau wird
ein Regenwaldstück abgebrannt, die Mineralsalze
der abgebrannten Biomasse düngen den Boden und
es werden Felder angelegt. Durch den Entzug von
Mineralsalzen und durch Erosion wird der Boden
zunehmend nährstoffärmer und nach wenigen Jahren kann er nicht mehr bepflanzt werden. Dann
wird das Gebiet verlassen und ein neues Stück Regenwald brandgerodet.
b) Wenn nur kleine Flächen des Regenwaldes durch
Brandrodung für den Wanderfeldbau genutzt werden und das in langen zeitlichen Abständen, kann
der umgebende Wald nach vielen Jahren das zer-
störte Stück wieder besiedeln und der Schaden
bleibt relativ gering. Heute ist die Gefährdung des
tropischen Regenwaldes durch Brandrodung sehr
groß, weil mithilfe von Maschinen sehr große Flächen gerodet werden und durch eine intensive und
räumlich ausgedehnte landwirtschaftliche Nutzung
dem Boden alle Nährstoffe entzogen werden. Die
starke Zunahme der Bevölkerung ist dafür maßgebliche Ursache. Je größer der Schaden im Regenwald
wird, umso mehr nimmt auch die Erosion zu und
die Zerstörung beschleunigt sich. Die zerstörten
Gebiete können sich nicht mehr vom Eingriff des
Menschen erholen und verwüsten.
6.6 Wälder im Stress
Physikalische, chemische und
­biologische Stressoren
1.
pH-Wert-Messungen: Regenwasser
2.
Abb. 1
Abb. 2
Wälder und Artenvielfalt
3.
Abb. 3
1.
Physikalische Stressoren:
–Lichtmangel
–Wassermangel, Trockenheit
–UV-Strahlung
–Feuer
–Wind
–hohe Temperaturen
–niedrige Temperaturen
–Bodenbewegung, Bodenerosion
Chemische Stressoren:
–Schwermetalle
–Überschuss an Mineralsalzen
–Mangel an Mineralsalzen
60
–Sauerstoffmangel bei Überflutung
–hoher Säuregehalt
–gasförmige Schadstoffe in der Luft
Biologische Stressoren:
–Bakterien- und Virenbefall
–Konkurrenz mit anderen Pflanzen
–Verbiss durch Tiere
–Insektenbefall
–Pilzbefall
–Tritt durch Weidetiere
Davon vorwiegend vom Menschen verursacht:
–Überschuss an Mineralsalzen (Überdüngung)
–hoher Säuregehalt („saurer Regen“)
–Schwermetalle
–Gasförmige Schadstoffe in der Luft
–Tritt durch Weidetiere
Weitere der oben genannten Stressoren können
durch Einwirkung des Menschen hervorgerufen
werden, z. B.: Feuer durch Brandstiftung, Bodenerosion nach Abholzung, Mangel an Mineralsalzen
nach intensiver Bewirtschaftung etc., aber auch natürlichen Ursprungs sein.
2.
Individuelle Ergebnisse (vgl. pH-Wert-Skala, Abbildung 2).
3.
artenarm (< 500 Arten pro 10 000 km2):
–Polare Kältewüsten: Polargebiete am Nord- und
Südpol, Tundra: Norden der USA und Kanada,
Nordskandinavien, Nordasien;
– Wüsten: Sahara, Namib, Arabische Wüste, Turan,
Gobi, Große Sandwüste in Australien, AtacamaWüste
wenig artenreich (500–1500 Arten pro 10 000 km2)
–Gebiete mit sommergrünem Laubwald, Teile der
USA, Mittel- und Osteuropa, Ostasien, Steppengebiete: Prärien der USA, große Teile Asien (z. B.
Kasachensteppe);
–tropische Trockenwälder in Südafrika, Südamerika und Australien
artenreich (1500–3000 Arten pro 10 000 km2)
–Feuchtsavanne, subtropischer und tropischer
Feuchtwald, Regenwald: Süden der USA, Mittelamerika, Teile Südamerikas, Südeuropa, Zentralafrika, Südostasien
besonders artenreich (> 3000 Arten pro 10 000 km2)
–Teile des tropischen Regenwaldes: kleine Gebiete
in Mittel- und Südamerika, Zentralafrika, Südostasien, Indonesien, Australien
In unbewaldeten Gebieten mit geringer Vegetation ist
der Artenreichtum sehr gering. In den sommergrünen
Laubwäldern der gemäßigten Zone ist die Artenvielfalt größer. Ausgesprochen artenreich sind Gebiete
mit tropischem Regenwald. Die zunehmende Verringerung der Waldflächen könnte eine starke Abnahme
der Artenvielfalt auf der Erde zur Folge haben.
6.7Ausbreitung nichtheimischer Pflanzen- und
­Tierarten
2.
Weltweiter Güter- und Personen­
verkehr
Abb. 1
Neophyten und Neozoen
Abb. 2, 3
Recherche und Kurzreferat
­„Neobiota“
1.
Der leer gefressene Wald
2.
a)
Lage und Größe von Guam:
Abb. 2, 3
Abb. 5
Wettbewerb unter Pflanzen
3.
Abb. 4a, 4b
1.
Individuelle Lösung.
Die Insel liegt im Westpazifik, ca. 2000 km östlich
der Philippinen (Insel Mindanao) und 2400 km südlich von Japan (Insel Honshu). die Koordinaten sind
61
13° 24´ N, 144° 43´ O. Guam ist ungefähr 48 km
lang und 18,5 km breit und der höchste Berg ist ca.
406 m hoch.
b)
Guam, weltabgeschiedene Hauptinsel
der Marianen
↓
Einsetzender reger Flugverkehr (ca. um 1945)
↓
Ungeplanter Import: Braune Nachtbaumnatter
als „blinder Passagier“
↓
Unbemerkte Vermehrung und Ausbreitung
über die ganze Insel
↓
Weitere zahlreiche Nachkommen
mit großem ­Appetit
↓
Fast vollständige Dezimierung der Vogelwelt
(ca. 1985)
↓
Erweiterung des Nahrungsspektrums
der Braunen Nachtbaumnatter
↓
Dezimierung der Populationen von Mäusen,
­Fledermäusen, Geckos und Eidechsen
↓
Allmählicher Rückgang der Population
der Braunen Nachtbaumnatter
↓
Zunehmender Nahrungsmangel
↓
Weitere Abnahme der Population der Braunen
Nachtbaumnatter
c) Die wichtigste Nahrungsgrundlage für Spinnen
sind Insekten. Die Braune Nachtbaumnatter dezimierte den Bestand von Fledermäusen, Geckos und
Eidechsen, den natürlichen Nahrungskonkurrenten
der Spinnen. Durch das größere Nahrungsangebot
konnte die Zahl der Spinnen erheblich zunehmen.
3.
Das Diagramm 4a beschreibt die Entwicklung der
Höhe der Pflanzen des Drüsigen Springkrautes
und der Großen Brennnessel im Laufe der Vege-
62
tationsperiode. Die Große Brennnessel wächst bis
Anfang Juni kontinuierlich etwa gleich stark, bis
sie eine Höhe von etwa 150 Zentimetern erreicht.
Danach stellt sie das Wachstum ein. Das Drüsige
Springkraut wächst zunächst etwas langsamer als
die Brennnessel. Ab Mitte Mai setzt ein sehr starkes
Wachstum ein, das erst im August beendet ist. Das
Springkraut erreicht dann eine Höhe von etwa 2,10
Metern.
Das Diagramm 4b beschreibt die Entwicklung der
gesamten Blattfläche pro Pflanze des Drüsigen
Springkrautes, wenn es alleine in einem Bestand
wächst (innerartliche Konkurrenz) und wenn es
in Konkurrenz mit der Großen Brennnessel steht.
Steht das Springkraut alleine im Bestand, so beginnt
die Blattflächenzunahme mit Beginn des Monats
Mai. Dann nimmt die Blattfläche stark zu und erreicht Ende Juli ein Maximum von etwa 1100 Quadratzentimetern. Steht das Springkraut zusammen
mit der Großen Brennnessel im Bestand, so beginnt
die Blattflächenzunahme ebenfalls mit Beginn des
Monats Mai. Dann nimmt die Blattfläche sehr stark
zu und erreicht bereits im Juli ein Maximum von
etwa 1700 Quadratzentimetern.
Konkurrenz nennt man den Wettbewerb von Lebewesen um eine begrenzte Ressource.
Der zeitliche Verlauf des Höhenwachstums und die
Größe der Blattoberfläche verdeutlichen die Stärken bzw. die Schwächen der beiden Konkurrenten
um den Faktor Licht. Während die Brennnessel im
Frühjahr bereits stark austreibt, ist das Springkraut
noch schwach entwickelt. Anfang Juni sind die Höhenunterschiede zwischen beiden Arten am größten. Hier ist die Brennnessel noch im Vorteil. Ihr
Blätterdach kann das Licht noch optimal nutzen.
Das Springkraut erhält unter dem geschlossenen
Blätterdach der Brennnessel nur wenig Licht. Anfang Juli überholt das Springkraut die Brennnesselpflanzen. Dann wächst es nur langsam weiter. Jetzt
ist das Springkraut im Vorteil, denn es kann das
Licht nun optimal nutzen. Seine Blattoberfläche ist
unter Konkurrenz auch viel größer, sodass es besonders viel Licht einfangen und dadurch viel Fotosynthese betreiben kann. Unter den großen Blättern
erhält die Brennnessel sehr wenig Licht. Sie kann
daher nur wenig Fotosynthese betreiben.
6.8Auswirkungen menschlicher Einflüsse
auf die Artenvielfalt
Die Streuobstwiese als Lebensraum
1.
Abb. 1
Mindmap zum „Bundesnaturschutzgesetz“
2. a
Nachhaltigkeit und Artenvielfalt im
Bundesnaturschutzgesetz
2. b
Biologische Schädlingsbekämpfung
3.
Abb. 2
Abb. 2
Abb. 3, 4
Ackerrandstreifen
4.
Abb. 5
1.
Auf einer Streuobstwiese wachsen alte Obstbäume
mit hohen Stämmen. Meistens befinden sich in diesen Bäumen natürliche Höhlen. Diese bieten Schutz
und Nistmöglichkeiten für Höhlenbrüter wie z. B.
den Gartenrotschwanz und den Steinkauz, der nur
noch selten vorkommt und in seinem Bestand in
diesen Lebensraum geschützt ist. Da die Streuobstwiese in der Regel nur zweimal im Jahr schonend
gemäht wird, ist sie reich an Blütenpflanzen, die
zahlreichen Insekten Nahrung bieten. Auch Spinnen leben in großer Zahl in einer Streuobstwiese. Insektenvernichtungsmittel werden nicht eingesetzt,
sodass vielfältige Nahrungsbeziehungen bestehen.
Steinhaufen und Hecken bieten Unterschlupf für
viele Tiere. Tote Äste, Baumstämme und von Menschen angelegte Totholzhaufen sind häufig. Die
Stoffkreisläufe werden begünstigt, Destruenten
versorgen den Lebensraum mit Mineralsalzen, die
den Produzenten zur Verfügung stehen. Streuobstwiesen sind ein artenreicher, abwechslungsreicher
Lebensraum.
2.
a) Individuelle Mindmap mit individueller Anordnung der Stichpunkte:
–Hintergrund von Naturschutz und Landschaftspflege
–Eigener Wert
–Grundlage für Leben und Gesundheit des Menschen
–Verantwortung für zukünftige Generationen
–Schutzziele:
–Biologische Vielfalt
–Leistungs- und Funktionsfähigkeit des Naturhaushalts
–Nachhaltige Nutzungsfähigkeit der Naturgüter
–Dauerhafte Sicherung von Vielfalt, Eigenart,
Schönheit und Erholungswert von Natur und
Landschaft
–Pflege, Entwicklung, Wiederherstellung von
Natur und Landschaft
–Besondere Ziele zur dauerhaften Sicherung der
biologischen Vielfalt
–Erhalt von lebensfähigen Populationen wild lebender Tiere und Pflanzen und deren Lebensstätten
–Austausch zwischen Populationen für Wanderung und Wiederbesiedlung
–Entgegenwirkung bei Gefährdungen von natürlichen Ökosystemen, Biotopen und Arten
–Erhalt von Lebensgemeinschaften und Biotopen
b) Nachhaltigkeit und Artenvielfalt sind zentrale
Ziele im Bundesnaturschutzgesetz. Alles, was in
Paragraf 1 steht, kann man als besonders wichtig
ansehen.
3.
Individuelle Recherche.
Das Prinzip der biologischen Schädlingsbekämpfung basiert auf der Beobachtung, dass in ungestörten Ökosystemen das Verhältnis zwischen Räubern
und Beute (hier den Schädlingen) ausgewogen ist
und normalerweise keine übermäßige Vermehrung
bestimmter Arten auftritt. Bei Störungen in Öko-
63
systemen kann es sein, dass Arten, die die Schäden
an den Nutzpflanzen verursachen, begünstigt werden und sich stark vermehren. Bei der Biologischen
Schädlingsbekämpfung werden dann regulierend
wirkende Arten angesiedelt, um die Einstellung eines Gleichgewichts zu unterstützten.
Beispiele für natürlich regulierende Arten sind:
Florfliege: Die Florfliege legt in Gebieten mit wenigen
Blattläusen 100-900 Eier ab. Nach einer Entwicklungsdauer von 4-15 Tagen vertilgen erwachsene
Tiere ca. 7 Blattläuse pro Tag. Es ist davon auszugehen, dass nicht alle Nachkommen überleben, aber
in einem größeren Bereich Blattlauspopulationen
klein bleiben. Sind Blätter bereits von Blattläusen
befallen, legt die Florfliege lediglich 6-30 Eier auf
diesen Blättern ab. Das Verhältnis von Räuber (Florfliege) und Beute (Blattlaus) ist dadurch verändert.
Nach der normalen Entwicklungszeit ist die Zahl
der Florfliegen direkt im Bereich der Beute gerade
so groß, dass jedes entwickelte Tier ausreichend
Nahrung findet und der Bestand der Blattläuse dadurch dezimiert wird.
Schwebfliege: Die Schwebfliege entwickelt sich
auch nach diesem Prinzip. Die Eiablage erfolgt an
verlausten Blättern. Nach einer Entwicklungszeit
von 8-14 Tagen frisst jede Larve 80-100 Blattläuse
pro Tag.
Marienkäfer: Bei Marienkäfern erfolgt die Eiablage wie bei der Florfliege nicht ausschließlich an
verlausten Blättern in großer Zahl (700-800). Die
Entwicklungsdauer beträgt 28-60 Tage. Sowohl Larven und erwachsene Tiere fressen Blattläuse. Deren
Anzahl wird dadurch über einen längeren Zeitraum
kontinuierlich dezimiert.
Gemeiner Ohrwurm: Die Weibchen des Gemeinen
Ohrwurms betreiben Brutpflege. Die Anzahl der
abgelegten und beschützten Eier ist klein (21-90).
Nach einer Entwicklungszeit von 30-50 Tagen fres-
64
sen erwachsene Tiere jeweils etwa 10 Blattläuse
pro Tag. Das Nahrungsspektrum ist auf Aas und
Pflanzenteile erweitert.
Blattlaus: Blattläuse sind nur wenige Millimeter
groß. Mit Hilfe ihres Stechrüssels ernähren sie
sich von kohlenhydratreichem Pflanzensaft. Diese
Saugtätigkeit schädigt die Wirtspflanze. In landwirtschaftlichen und gartenbaulichen Kulturen können
Blattläuse, die sich sehr stark vermehren, wirtschaftliche Schäden verursachen. Blattläuse sind
auch Überträger von Pflanzenviren. Bei guten Nahrungsbedingungen scheiden Blattläuse eine zuckerhaltige Lösung aus. Diese dient anderen Insekten
als Nahrung.
4.
Das Einrichten von Ackerrandstreifen ist im Sinne der Nachhaltigkeit eine sinnvolle Maßnahme,
damit sich dort heimische Ackerwildkräuter und
die an sie angepasste Tierwelt ausbreiten und überleben können. In den Ackerrandstreifen wachsen
Pflanzenarten, die in unserer intensiv genutzten
Ackerflur selten geworden sind. Die Kombination
von Randstreifen und kleineren Feldern schafft einen günstigen Lebensraum für Insekten und viele
Vögel. Aus tierökologischer Sicht kommt der Einrichtung von Ackerrandstreifen deshalb eine hohe
Bedeutung zu. Weiterhin tragen sie zum Schutz
der Böden und Gewässer durch Rückhalt von Erde
und Wasser im Feld bei. Ackerrandstreifen schaffen
mit ihrer netzartigen Verteilung ein ansprechendes,
abwechslungsreiches Landschaftsbild mit erhöhtem Erholungswert für den Menschen. Das positive
Landschaftserlebnis steigert die Kenntnis und Wertschätzung der heimischen Kulturlandschaft und
dient so dem Ausgleich zwischen den unterschiedlichen Nutzungsinteressen von Landwirtschaft, Naturschutz und Erholung.
6.9Bevölkerungsentwicklung, Gesundheit
und Nachhaltigkeit
Globale Bevölkerungsentwicklung –
Rückblick und Prognose
1.
Nachhaltige Entwicklung
(Drei-Säulen-Modell)
Grundwissen
Gesundheit als Säule der
­Nachhaltigkeit
Grundwissen
Todesursachen weltweit
2.
Abb. 1
Abb. 2
1.
unten und rechts: Dargestellt ist die Bevölkerungsentwicklung von 6000 v. Chr. bis zum Jahr 2000.
Über sieben Jahrtausende hat sich die Bevölkerungszahl der Erde von 0,25 auf 0,5 Mrd. lediglich
verdoppelt. Seit ca. 1750 ist ein drastischer Anstieg
der Bevölkerungsdichte zu sehen. 2000 waren es
bereits 6000 Milliarden Menschen.
Diagramms links oben:
Dargestellt ist die Bevölkerungszahl (Mrd.) von
2000 bis 2050 in drei Kurven (niedrige, mittlere und
hohe Entwicklungsprognose). Zusätzlich ist als
Säulendiagramm die durchschnittliche Wachstumsrate der Weltbevölkerung in % angegeben.
Die drei Kurven verlaufen von ca. 6 Milliarden im
Jahr 2000 bis zu einem Wert von etwa 7 Milliarden bis
zum Jahr 2015 deckungsgleich, denn hier gibt es bereits genaue Zahlen. Danach beginnt der Zeitraum für
den die Prognosen gemacht werden. Die Kurve der
niedrigen Entwicklungsprognose steigt bis etwa 2040
gleichmäßig und bleibt bis 2050 bei einem Wert von
7,96 Milliarden Menschen. Bei der mittleren Entwicklungsprognose steigt die Kurve fast gleichmäßig bis
auf einen Wert von 9,15 Milliarden Menschen 2050.
Die Kurve der hohen Entwicklungsprognose erreicht bereits ab etwa 2020 kontinuierlich höhere
Werte, bis 2050 die Bevölkerungszahl von 10,46
Milliarden Menschen erreicht wird. Im Gegensatz
zu den beiden anderen Prognosen verlangsamt sich
das Bevölkerungswachstum ab dann nicht, es wird
weiter ansteigen.
Mögliche Gründe für den Anstieg der Bevölkerung
im letzten Jahrhundert:
–medizinischer Fortschritt
–geringere Kindersterblichkeit
– mehr Menschen erreichen das fortpflanzungsfähige Alter → mehr Kinder
–mehr Nahrung durch Ackerbau, Viehzucht und
Fischerei → weltweiter Handel
–Erschließung neuer Lebensgebiete
–Bevölkerungswachstum nicht linear sondern
­exponentiell
2.
In der Grafik sind die weltweiten Todesfälle im Jahr
2010 mit 52,77 Millionen Menschen, aufgeschlüsselt
nach 20 unterschiedlichen Todesursachen genannt.
Diese Zahlen werden mit den jeweiligen Todesfällen
im Jahr 1992 als Zu- oder Abnahme mit Prozentangaben verglichen.
Die weltweiten Todesursachen sind grafisch strahlenförmig um einen zentralen Kreis mit der Angabe der Summe aller Todesursachen angeordnet.
Unterschiedlich große Kreise und unterschiedliche
Entfernungen vom zentralen Kreis symbolisieren
die unterschiedlichen Häufigkeiten der einzelnen
Todesursachen.
65
Angaben aus der Grafik, sortiert nach der Veränderung (Zunahme/Abnahme) in Prozent:
Todesursache
Summe 2010 Veränderung von
in Mio.
1992 bis 2010
Naturkatastrophen, Krieg
00,21
+125,2%
Muskel-/Skeletterkrankungen
00,15
+121,0%
Neurologische Störungen
01,27
+114,3%
Diabetes, Harnwegs-/Hormon­erkrankungen
02,73
+076,5%
Psychische Erkrankungen
00,23
+068,0%
Aids und Tuberkulose
02,66
+050,3%
Verkehrsunfälle
01,33
+046,3%
Krebs
07,98
+038,0%
Tötungen/Selbsttötungen
01,34
+032,9%
Leberzirrhose
01,03
+032,5%
Herz-Kreislauf-Erkrankungen
15,62
+031,2%
Krankheiten des Verdauungssystems (außer Zirrhose)
01,11
+014,2%
Tropenkrankheiten und M
­ alaria
01,32
+009,2%
Andere Infektionen von ­Mutter und Neugeborenem
00,72
+004,6%
Unfälle ohne Verkehrsunfälle
02,12
+004,6%
Chronische Atemwegserkrankungen
03,78
-00 5,3%
Neugeborenenerkrankungen
02,23
-0 27,4%
Schwangerschaftskompli­kationen
00,25
-0 29,0%
Unterernährung
00,68
-0 30,0%
Durchfall-/Atemwegs­erkrankungen, Meningitis und andere verbreitete
05,28
-0 32,1%
­Infektionskrankheiten
MMathematische Verfahren verdeutlichen
­ökologische Zusammenhänge
1.
2.
Die Aussage „… als hätten wir vier Erden“ ist eine
Anspielung auf den enormen Verbrauch an Ressourcen (Naturmasse, Platz, Energieträgern), der durch
unsere Lebensweise entsteht. Unser „ökologischer
Fußabdruck“ nimmt aufgrund unseres hohen Energie- und Materialbedarfs eine unverhältnismäßig
große Fläche ein, wir verhalten uns also so, als seien Platz und Ressourcen unserer Lebensgrundlage,
der Erde, unbegrenzt, oder „vierfach“ vorhanden.
Der Faktor für den Ökologischen Rucksack je kg
Material wird aus Abb. 3 entnommen.
Holzstuhl: 5 kg Masse multipliziert mit 5,5 ergibt
27,5 kg, d. h. 1,375 kg/Jahr bei einer „Lebensdauer“
von 20 Jahren.
Stahlstuhl: 7 kg Masse multipliziert mit 8,1 ergibt
56,7 kg, d. h. 2,835 kg/Jahr bei einer „Lebensdauer“
von 20 Jahren.
Aluminiumstuhl: 4 kg Masse multipliziert mit 19,0
ergibt 76 kg, d. h. 7,6 kg/Jahr bei einer Lebensdauer
von 10 Jahren.
66
Plastikstuhl: 5 kg Masse multipliziert mit 2,5 ergibt
27,5 kg, d. h. 1,375 kg/Jahr bei einer Lebensdauer
von 20 Jahren.
Die Lebensdauer der vier Stühle muss in die Bewertung einbezogen werden, wenn davon ausgegangen
wird, dass ein defekter, unbrauchbarer Stuhl durch
einen neuen ersetzt wird. Die Betrachtung des ökologischen Rucksacks der Stühle unter Berücksichtigung ihrer Lebensdauer zeigt, dass Holz- und Plastikstuhl den geringsten Bedarf an Naturmasse mit
sich bringen. Für Herstellung, Transport etc. des
Stahlstuhls braucht man gut doppelt so viel Naturmasse und für den Aluminiumstuhl mehr als fünfmal so viel wie für einen Holz- oder Plastikstuhl.
3.
In Indien wird sehr viel weniger Fleisch gegessen,
das bedeutet weniger Flächenverbrauch für die Futtermittelproduktion. Pflanzliche Nahrung bringt einen sehr viel kleineren ökologischen Fußabdruck
mit sich. Die Wohnungen und Häuser sind in Indien
meist sehr viel einfacher, kleiner und weniger mate-
rialaufwendig und auch ihr Betrieb (Heizung etc.)
benötigt aufgrund der wärmeren Temperaturen weniger Energie. Auch der Gebrauch von Möbeln und
Holzprodukten, Kleidung, Papier und Verpackungen ist in Indien aufgrund weit verbreiteter Armut
im Durchschnitt sehr viel geringer als in Deutschland. Dies alles bewirkt, dass der ökologische Fußabdruck eines Inders im Durchschnitt so viel kleiner
ist als der eines Deutschen.
4.
Dargestellt sind für die Jahre 1961 und 2005 der
Pro-Kopf-Fußabdruck nach Regionen und die Bevölkerung in Millionen je Region. Nordamerika hat in
beiden Fällen den höchsten Pro-Kopf-Fußabdruck.
Er ist dort von 1961 bis 2005 von 5,5 auf 9 ha/Person gestiegen. Auch in Europa EU ist er deutlich
gestiegen. Gesunken ist er nur ein wenig in den
Regionen Lateinamerika/Karibik, Mittlerer Osten/
Zentralasien und in Afrika. Die Bevölkerung ist in
allen Regionen angestiegen, besonders stark aber in
den Regionen Ostasien/Pazifik und Afrika.
Multipliziert man die aus der Grafik abgelesenen Pro-Kopf-Werte mit der Bevölkerungszahl, so wird deutlich,
dass in fast allen Regionen 2005 mehr Fläche für das Leben der Menschen „verbraucht“ wird:
1961
2005
Pro-KopfBevölkerung
Fußabdruck
in Mio.
in Hektar pro/
Person
Summe aller
Fußabdrücke
der Region
Pro-KopfBevölkerung
Fußabdruck
in Mio.
in Hektar pro/
Person
Summe aller
Fußabdrücke
der Region
Nordamerika
5,5
1207
1138,5
9
4330
12 970
Europa EU
5
1392
1960
4,7
4487
12 288,9
Europa Nicht-EU 5,7
1202
1151,4
3,5
4240
11 840
Lateinamerika
und Karibik
4,7
1220
1034
2,5
4553
11 382,5
Mittlerer Osten 4,6
und Zentralasien
1140
1644
2,4
4366
11 878,4
Ostasien und
Pazifik
1,4
1623
2272,2
1,6
3562
15 699,2
Afrika
1,9
1287
1545,3
1,5
4902
11 353
Alle Regionen
8745,4
15 412
67
B
Wiederholen mit Basiskonzepten
1. Fortpflanzung und Entwicklung, Variabilität und
Angepasstheit
Bei der Fortpflanzung von Lebewesen werden Erbanlagen mit Informationen weitergegeben, die die
Entwicklung und die Ausbildung von Merkmalen
beeinflussen. Die Veränderlichkeit von Merkmalen führt durch Variabilität zu einer Vielfalt, z. B.
der Artenvielfalt. Alle Lebewesen besitzen genetisch festgelegte Merkmale, die als Angepasstheiten
durch natürliche Auslese entstanden sind.
2. Variabilität und Angepasstheit
Alle Lebewesen besitzen genetisch festgelegte
Merkmale, die als Angepasstheiten durch natürliche Auslese entstanden sind. Jeweils unterschiedliche Ansprüche an die Umwelt sind als ökologische
Nischen Angepasstheiten, die gewährleisten, dass
verschiedene Arten dauerhaft nebeneinander leben
können.
3. Variabilität und Angepasstheit, Stoff- und Energieumwandlung
Alle Organismen sind Mitglieder mehrerer Nahrungsketten, aus denen sich ein Nahrungsnetz
ergibt. Jeweils unterschiedliche Ansprüche an die
Umwelt sind als ökologische Nischen Angepasstheiten, die gewährleisten, dass verschiedene Arten dauerhaft nebeneinander leben können. Die
Artenvielfalt sorgt für ein System im ökologischen
Gleichgewicht. Die Aufnahme, Umwandlung und
Abgabe von Stoffen durch Lebewesen nennt man
Stoffwechsel. Energie ist für alle Lebensvorgänge
notwendig.
4. Stoff- und Energieumwandlung
Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von
Stoffen durch Lebewesen nennt man Stoffwechsel.
Energie ist für alle Lebensvorgänge notwendig.
Produzenten wandeln durch Fotosynthese Sonnenenergie in chemische Energie der Biomasse um. In
Wechselbeziehungen mit Konsumenten und Destruenten wird diese chemische Energie über Nahrungsbeziehungen weiter umgewandelt.
68
5. Stoff- und Energieumwandlung
Produzenten wandeln durch Fotosynthese Sonnenenergie in chemische Energie der Biomasse um. In
Wechselbeziehungen mit Konsumenten und Destruenten wird diese chemische Energie über Nahrungsbeziehungen weiter umgewandelt. Es bestehen
ein Stoffkreislauf und ein Energiefluss. Da bei jedem
Umwandlungsschritt Energie in Form von Wärme abgegeben wird, spricht man von einer „Einbahnstraße
der Energie“, während der Stoffkreislauf die Produzenten mit Pflanzennährstoffen versorgt.
6. Stoff- und Energieumwandlung
Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von
Stoffen durch Lebewesen nennt man Stoffwechsel.
Energie ist für alle Lebensvorgänge notwendig. Da
bei jedem Umwandlungsschritt Energie in Form
von Wärme abgegeben wird, spricht man von einer
„Energieentwertung“.
7. Stoff- und Energieumwandlung
Lebewesen können bestimmte Formen von Energie
in andere Formen von Energie umwandeln. Auch
Stoffe werden umgewandelt. Dies geschieht im Körper aller Lebewesen, aber auch in der Umwelt. Der
Mensch hat großen Einfluss auf die Umwandlungsprozesse in seiner Umgebung und auf der gesamten
Erde. Nachhaltige Entwicklung versucht, diese Prozesse so zu steuern, dass Ressourcen geschont und
natürliche Kreisläufe nicht gefährdet werden, sodass künftige Generationen weiterhin gute Lebensund Wirtschaftsbedingungen auf der Erde haben.
8. Variabilität und Angepasstheit
Über lange Zeit hat sich eine Vielfalt von Arten
gebildet, die sich in ihren Merkmalen unterscheiden. Alle Lebewesen besitzen genetisch festgelegte
Merkmale, die durch natürliche Auslese entstanden
sind. Diese Angepasstheiten führen dazu, dass viele Arten auf bestimmte Lebensräume mit den für
sie vorteilhaften Umweltbedingungen angewiesen
sind. Werden diese Lebensräume verkleinert, stark
verändert oder immer mehr vereinheitlicht, so finden nur noch wenige Arten gute Lebensbedingungen vor. Die Artenvielfalt geht zurück.
7Atmung
7.1 Eigenschaften und Zusammensetzung der Luft
Die Atmosphäre, real und im Modell
1.
Abb. 1, 2
Zusammensetzung der Luft
Atom, Element, Molekül
Abb. 2
Grundwissen
2.
Abb. 2
Luftvolumen ermitteln
3.
Abb. 4, 6
Luftdruck in großer Höhe
4.
Abb. 5
Kohlenstoffdioxid nachweisen
5.
Abb. 7
1.
In der Realität beträgt der Erddurchmesser etwa
12 700 km. Die Höhe der unteren Atmosphären­
schicht beträgt 8 km.
In einem ersten Modell hat die Erde einen Durchmesser von 100 m. Das heißt, 12 700 km in der
­Realität entsprechen 100 m im Modell. 1 km in der
­Realität entspricht dann 100 m : 12 700 ≈ 0,007 874 m
im Modell. 8 km in der Realität entsprechen dann
(100 m : 12 700) ∙ 8 ≈ 0,063 m im Modell. Die Höhe
der unteren Atmosphärenschicht beträgt im ersten
Modell etwa 6,3 cm.
In einem zweiten Modell hat die Erde einen Durchmesser von 1 m. Er ist also 100-mal kleiner als im ersten
Modell. Die Höhe der unteren Atmosphärenschicht im
Modell ist dann auch 100-mal kleiner, also 63 mm : 100
= 0,63 mm, das heißt weniger als 1 mm hoch.
Die ausführliche Dreisatzrechnung: 12 700 km in
der Realität entsprechen 1 m im Modell. 1 km in der
­Realität entspricht dann 1 m : 12 700 ≈ 0,000 078 74 m
im Modell. 8 km in der Realität entsprechen dann
(1 m : 12 700) ∙ 8 ≈ 0,000 63 m im Modell. Die Höhe
der unteren Atmosphärenschicht beträgt im zweiten Modell etwa 0,63 mm.
2.
individuelle Lösung, z. B.:
Luft: Luft ist ein Gasgemisch aus den Gasen Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und wenigen
anderen Gasen.
Atom: Atome sind chemisch nicht weiter teilbare
Bausteine der Natur.
Element: Atome mit gleichen Eigenschaften gehören zu einem chemischen Element.
Molekül: Mehrere Atome schließen sich oft zu einem Molekül zusammen.
3.
a) Man sieht folgende Geräte: Glockenförmiges Glasoder Kunststoffgefäß mit Maßeinteilung, Stopfen und
Luftventil, Kunststoffwanne, Gummischlauch.
Ein komplett mit Wasser gefülltes glockenförmiges
Glas- oder Kunststoffgefäß wurde offenbar zu Versuchsbeginn in eine mit Wasser gefüllte Kunststoffwanne gestellt. Diese Versuchsanordnung ist dazu
geeignet, von außen zugeführte Luft aufzufangen.
Diese Luft wird von einem Mädchen (Versuchsperson) aus der Lunge in das Gefäß gepustet. Das
Wasser im Gefäß wird dabei verdrängt und durch
das Volumen der zugeführten Luft ersetzt. Dieses
Volumen kann durch eine Maßeinteilung ermittelt
werden.
b) Mögliche Fragestellung des Experiments:
Welches Luftvolumen ist in der Lunge der Versuchsperson enthalten?
Um diese Frage zu klären, sollte die Versuchsperson
zu Versuchsbeginn möglichst viel Luft einatmen
und dann die Ausatmungsluft vollständig in das
Gefäß pusten.
69
c) Individuelle Lösung. Die geläufigsten Volumenangaben erfolgen in Liter- oder Millilitereinheiten.
4.
Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab.
Der Luftdruck auf dem Gipfel des Mount Everest
in 8848 m Höhe ist sehr gering. Bei geringem Luftdruck ist die Luft weniger komprimiert. Deshalb
sind weniger Sauerstoffmoleküle pro Volumeneinheit vorhanden und damit kommen pro Atemzug
weniger Sauerstoffmoleküle in die Lunge und von
dort ins Blut.
5.
Materialien: Zwei große Reagenzgläser, zwei Glasrohre, zwei Gummischläuche, Luftpumpe (Blasebalg), Kalkwasser, Uhr.
Mögliches Experiment: Die beiden R
­ eagenzgläser
werden gleich hoch mit Kalkwasser gefüllt. In das
eine Reagenzglas wird über den Schlauch und das
Glasrohr ausgeatmete Luft eingeblasen. In das zweite Reagenzglas wird mit Hilfe der Luftpumpe Luft
in das Reagenzglas eingeblasen. Man muss d
­ arauf
achten, dass die beiden Luftströme etwa gleich stark
sind. Die Trübung in den Reagenzgläsern wird alle
20 Sekunden lang miteinander verglichen.
Erwartete Beobachtungen: In dem Reagenzglas, in
das die atmosphärische Luft mit der Pumpe oder
dem Blasebalg geblasen wird, tritt nur langsam eine
geringe Trübung auf. In dem Reagenzglas, in das
ausgeatmete Luft eingeblasen wird, tritt die Trübung sehr viel schneller auf. Außerdem ist hier die
Trübung viel stärker.
Schlussfolgerung: Die ausgeatmete Luft enthält im
Vergleich mehr Kohlenstoffdioxid als die Luft, die
wir einatmen.
7.2Wie wir ein- und ausatmen
Der Weg der Einatmungsluft
1.
Abb. 1, 2
Muskulatur für Brust- und
­Bauchatmung
4., 5.
Abb. 2
Atemvolumen bei Ruhe und
­Belastung
2.
Vortrag zur Atmung
3.
Grundwissen
Abb. 2
Modelle analysieren und bewerten
6.
Abb. 2, 3, 4
70
1.
Einatmungsluft → Mund oder Nase und Nasennebenhöhle → Rachen → Kehlkopf → Luftröhre →
Bronchien beider Lungenflügel → Lungenbläschen
→ Blutgefäße
2.
In Ruhe atmet ein Erwachsener bei jedem Atemzug
etwa einen halben Liter Luft ein. Bei intensiver Belastung werden pro Atemzug ca. drei Liter ein- und
ausgeatmet.
14 Atemzüge pro Minute in Ruhe:
14 ∙ 0,5 Liter = 7 Liter. Bei Ruhe atmet ein Erwachsener bei 14 Atemzügen pro Minute 7 Liter Luft ein.
30 Atemzüge pro Minute bei intensiver Belastung:
30 ∙ 3 Liter = 90 Liter. Bei intensiver Belastung
atmet ein Erwachsener bei 30 Atemzügen pro
­
­Minute 90 Liter Luft ein.
Allgemeine Formel: Atemzüge pro Minute ∙ Luftvolumen pro Atemzug.
Individuelle Lösung, z. B.:
Das Zwerchfell kontrahiert, zieht den Lungenrand
nach unten und drückt dabei den Bauch nach
außen. Gleichzeitig weiten die Muskeln der Zwischenrippen den Brustkorb, Unterdruck entsteht,
Luft strömt ein. Beim Ausatmen läuft der ganze
Vorgang durch das Entspannen der Atemmuskulatur umgekehrt ab.
4.
Unterschiede: Das Zwerchfell zieht den Lungenrand
nach unten und drückt dabei den Bauch nach ­außen.
Die Zwischenrippenmuskulatur hebt die Rippen an
und der Brustkorb öffnet sich nach ­vorne.
Gemeinsamkeiten: Zwerchfell und Zwischenrippenmuskulatur ziehen sich beide beim Einatmen
zusammen. Der Brustkorb weitet sich dabei und
die Luft strömt ein. Beim Ausatmen entspannen
sich Zwerchfell und Zwischenrippenmuskulatur.
Luft strömt aus.
5.
Individuelle Lösung.
6.
Modell 3a: Die beweglich verbundenen Stäbe veranschaulichen zwei Zustände der Rippen.
–Bewegen sich die Stäbe in die entspannte Lage,
liegen sie schräg parallel zueinander. Die Ausatmungsluft kann ohne Einwirkung einer Muskelanspannung entweichen (der Pfeil zeigt die
Richtung der Luftströmung, die fehlende Hand
zeigt, dass keine Muskelkraft aufgewendet wird).
–Im zweiten Bild symbolisiert die Hand, dass für
die Einatmung Muskelkraft nötig ist. Die Luft kann
durch die Anspannung der Rippenmuskulatur einströmen, das zeigt die Pfeilrichtung. Im Zustand der
Anspannung liegen die Rippen in gerader Ausrichtung parallel zueinander, der Brustkorb ist geweitet.
Die Funktion des Zwerchfells kann dieses Modell
nicht zeigen. Sie fehlt.
Modell 3b: Der Blasebalg kann beim Ansaugen der
Luft annähernd die Funktion des Zwerchfells und
den nötigen Kraftaufwand veranschaulichen. Für
den Ausatmungsvorgang ist dieses Modell nicht geeignet, da die Luft beim Blasebalg mit Kraftaufwand
herausgedrückt wird. Der Vorgang der natürlichen
Entspannung fehlt.
Modell 3c: Das Modell der Glasglocke mit Gummimembran veranschaulicht gut, dass die Erweiterung
der Lungenflügel (hier der Luftballons) beim Einatmen passiv dem Unterdruck im Brustkorb folgt. Beim
Ausatmen wird der normale Druck wieder hergestellt,
die Lungenflügel erschlaffen. Dieses Modell veranschaulicht gut die Bauchatmung mithilfe des Zwerchfells, es berücksichtigt aber nicht die Brustatmung mit
der Zwischenrippenmuskulatur.
Modell 3d: Der Torso kann nur die Lage der verschiedenen Organe und Strukturen im Körper veranschaulichen. Funktionsabläufe werden nicht dargestellt.
71
7.3Gasaustausch in der Lunge
Lungenbläschen ermöglichen den
Gasaustausch
1.
Unterschiede im Luftbedarf
2. c
Atmung verändert die Luftqualität.
Abb. 2
2. a, b, 3.
Abb. 3, 5
Atmungsoberfläche ist Austausch­
fläche.
4.
Abb. 6, 2
1.
a) Die Abbildung 2 zeigt den Gasaustausch in einem Lungenbläschen.
Dargestellte Strukturen
Kapillaren und Lungenbläschen im Anschnitt
Vorgänge /Funktionen
Ein dichtes Geflecht feinster Blutgefäße umgibt das Lungenbläschen. Solche dünnen
Blutgefäße heißen Kapillaren. Beim Gasaustausch gelangen bestimmte Moleküle der
Luft in die Blutgefäße, umgekehrt gelangen andere Moleküle aus den Blutgefäßen in
den Luftstrom im Inneren des Lungenbläschens.
Sehr dünne Schichten­
Der Luftstrom in den Kapillaren ist nur durch wenige Zellschichten von der Luft in
­zwischen Blut und Luft
dem Lungenbläschen getrennt. Das erleichtert den Übertritt der Moleküle von einer
Seite auf die andere.
Lungenkapillare,
Das Blut, das zu dem Lungenbläschen hinfließt, enthält sehr viel mehr Kohlenstoff­
blau gezeichnet
dioxidmoleküle als die Luft in dem Lungenbläschen. Die Anzahl der Sauerstoffmoleküle ist sehr gering. Solche Blutgefäße werden allgemein blau dargestellt. Die jeweiligen Unterschiede der Molekülanzahl bewirken in der „blauen“ Kapillare einen Eintritt
von Sauerstoffmolekülen und einen Austritt von Kohlenstoffdioxidmolekülen. Dieser
Vorgang wird als Gasaustausch bezeichnet.
Lungenkapillare,
Der Gasaustausch führt schließlich dazu, dass die Zahl der Sauerstoffmoleküle in
rot gezeichnet
der Lungenkapillare sehr viel höher ist, als die Zahl der Kohlenstoffdioxidmoleküle.
­Solche Blutgefäße werden allgemein rot dargestellt.
Sauerstoffmoleküle
Sauerstoff kommt in der Natur als Molekül aus zwei Atomen Sauerstoff vor (O2).
Kohlenstoffdioxidmoleküle Kohlenstoffdioxid ist ein Molekül aus einem Atom Kohlenstoff und zwei A
­ tomen
­Sauerstoff (CO2).
b) Die Struktur des Lungenbläschens ist angepasst
an die Funktion des Gasaustausches. Beispiele:
Sehr dünne Schichten zwischen Blut und Luft: Der
Luftstrom in den Kapillaren ist nur durch wenige
Zellschichten von der Luft in dem Lungenbläschen
getrennt. Das erleichtert den Übertritt der Moleküle
von einer Seite auf die andere.
Form des Lungenbläschens: So kann es wir ein Mikroluftballon immer mit neuer Luft aufgeblasen werden und diese wieder abgeben. Außerdem sorgt
die Kolbenform für eine große Fläche, an der Gase
ausgetauscht werden können.
72
2.
a) In der Einatmungsluft sind 78% Stickstoff, 21 %
Sauerstoff, 0,04 % Kohlenstoffdioxid und etwa 1 %
andere Gase enthalten. In der Ausatmungsluft beträgt der Anteil von Sauerstoff 17 % und der Anteil
von Kohlenstoffdioxid 4 %. Die Anteile von Stickstoff und die der anderen Gase haben sich nicht
merklich verändert, sie sind gleich geblieben.
b)
Gase in der Atem­ Anteil in der
luft
Einatmungsluft
in %
Sauerstoff
21
Kohlenstoffdioxid 0,04
Stickstoff
78
Andere Gase
1
Anteil in der
Ausatmungsluft
in %
17
4
78
1
Begründung der Unterschiede: Beim Gasaustausch in
den Lungenbläschen gelangen mehr Sauerstoffmoleküle aus der Einatmungsluft in das Blut in den Blutkapillaren als aus dem Blut in die Ausatmungsluft. Sie
werden also der Luft entzogen. Gleichzeitig gelangen
mehr Kohlenstoffdioxidmoleküle aus dem Blut in die
Atemluft als umgekehrt in das Blut hinein.
Die Zahl der Stickstoffmoleküle und der Moleküle
oder Atome der anderen Gase bleibt innerhalb und außerhalb der Blutgefäße gleich. Offenbar bewegen sich
diese Teilchen in gleichem Maße in beide Richtungen.
c)
Liegen: Der gesamte Körper befindet sich in einem
Zustand der Ruhe. Der Körper benötigt wenig Sauerstoff. Der Luftbedarf ist deshalb gering.
Gehen: Die Muskelaktivität nimmt zu. Bei der erhöhten Anstrengung des Körpers entsteht auch ein
größerer Bedarf an Sauerstoff aus der Luft: der Luftbedarf steigt von 7 Liter pro Minute auf 17 Liter
pro Minute. Der Gasaustausch in der Lunge nimmt
durch häufigeres Ein- und Ausatmen pro Minute zu.
Radfahren: Der Luftbedarf steigt auf 24 Liter pro
­Minute. Die Anstrengung steigt, mehr Muskeln werden aktiv und benötigen damit mehr Sauerstoff.
Schwimmen: Jetzt beträgt der Luftbedarf 43 Liter pro
Minute. Der Sauerstoffbedarf aus der Luft steigt durch
eine noch höhere Aktivität des Körpers weiter an.
Rudern: In dieser Tabelle wird für das Rudern wahrscheinlich die meiste Muskelkraft gebraucht. Der
Luftbedarf erreicht den bislang höchsten Wert von
60 Liter pro Minute.
3.
Um 8:00 Uhr morgens liegt der CO2-Gehalt im Klassenzimmer bei einem Wert von etwa 0,8 relativen
Einheiten. Nach Unterrichtsbeginn steigt der CO2Gehalt im Klassenraum auf 3 relative Einheiten
deutlich an. Bei offenbar geschlossenen Türen und
Fenstern befindet sich jetzt mehr ausgeatmete Luft
mit vielen Kohlenstoffdioxidmolekülen im Klassenzimmer. Während der ersten großen Pause ist der
Raum leer und frische, CO2-arme Luft kommt hinein. Der CO2-Gehalt sinkt bis auf 2 relative Einheiten. Dieser Wert liegt um 10:00 Uhr deutlich über
dem Ausgangswert von 0,8.
Bis zur zweiten großen Pause nimmt der Anteil der
Ausatmungsluft wieder zu. Es gelangen noch mehr
Kohlenstoffdioxidmoleküle in die Luft im Klassenraum. Die Kohlenstoffdioxidkonzentration erreicht
einen neuen Höchstwert von etwa 5,5 relativen Einheiten. Durch einen geringen Luftaustausch während der zweiten großen Pause sinkt der CO2-Gehalt
um kurz vor 12:00 Uhr auf 4 relative Einheiten. Bis
zum Schulschluss um 13:00 Uhr steigt dieser dann
auf den Höchstwert von 7.
Insgesamt ist während der Schulzeit der CO2-Gehalt
von 0,8 auf 7 relative Einheiten gestiegen.
Empfehlung: Durch gründliches Lüften müsste im
Verlauf der Schulzeit mehrfach für einen möglichst
vollständigen Luftaustausch gesorgt werden. Dies
könnte durch das Öffnen aller Fenster während der
gesamten Pausenzeiten erfolgen. Auch zwischen
den großen Pausen ist regelmäßiges Lüften sinnvoll.
4.
Gemeinsamkeiten: Die Übernahme von Sauerstoff
und Abgabe von Kohlenstoffdioxid muss in den wenigen Sekunden zwischen Ein- und Ausatmen erfolgen. Dies ist mit den Ladungen auf den Schiffen
und auf den Kaianlagen vergleichbar. Hierfür muss
­eine große Fläche vorhanden sein, damit die Gase
ebenso wie die Schiffsladungen auch schnell genug
ausgetauscht werden können.
73
Unterschiede: Der Hamburger Hafen besteht aus
komplett anderen Materialien als die wirkliche
­Lunge. Die Wasserstraßen sind vergleichbar mit
dem Blut in den Adern, die Schiffe vergleichbar mit
den Roten Blutzellen und der Kai mit dem Innen-
raum der Lungenbläschen, der die Luft enthält. Die
Kaimauern sind vergleichbar mit der Oberfläche der
Lungenbläschenwand. Die Ladungen entsprechen
den Sauerstoff- bzw. den Kohlenstoffdioxidteilchen.
7.4Rauchen macht süchtig
Einstieg in das Rauchen?
3. a
Rauchen und Durchblutung
1.
Abb. 2
Rauchen schädigt die Bronchialschleimhaut.
2.
Rauchbeginn und Rauchstopp
3. b, 4.
Abb. 3, 4, 5,
Grundwissen
Grundwissen
1.
a) Die Abbildung zeigt Wärmebilder zweier Hände
und Unterarme vor und nach dem Rauchen einer
Zigarette. Die Temperaturen werden durch unterschiedliche Farben und einer Farbskala angezeigt.
Vor dem Rauchen zeigt das Wärmebild eine Temperatur von etwa 32-33 °C. Der Bereich in der Nähe des
Daumens ist mit 33 °C etwas wärmer. Im Bereich der
Fingernägel wird eine Temperatur von 34 °C angezeigt.
Nach dem Rauchen zeigt das Wärmebild in den Fingern eine Temperatur von 28-29 °C und im Bereich
der Handflächen und Fingernägel 32 °C. Die Hauttemperaturen sind in dem abgebildeten ­
Bereich
nach dem Rauchen einer Zigarette allgemein niedriger als vor dem Rauchen.
b) Durch Nikotin steigen die Herzfrequenz und der
Blutdruck an. Die Blutgefäße verengen sich und bewirken besonders in der Haut eine verringerte Durchblutung. Das Wärmebild zeigt, dass die geringere
Hautdurchblutung die Hauttemperatur verringert.
74
2.
a) Die Luftröhre und die Bronchien besitzen im intakten Zustand als besondere Struktur eine Bronchialschleimhaut. Viele Zellen der Bronchialschleimhaut tragen zahlreiche feine Flimmerhärchen. In
diese Zellschicht sind auch Zellen eingelagert, die
den Bronchialschleim produzieren, der die gesamte
Zellschicht überzieht. In den Abbildungen ist zu
erkennen, dass die Flimmerhärchen inselartig die
Schleimschicht an vielen Stellen durchdringen.
Die Anordnung der Flimmerhärchen lässt vermuten, dass diese sich wellenartig bewegen. Dadurch
transportiert die Bronchialschleimhaut festgesetzte
kleine Fremdkörper Richtung Rachen, wo sie abgehustet oder verschluckt werden können.
b) Der Teer im Zigarettenrauch ist nicht nur krebserregend. Er verklebt auch die Flimmerhärchen der
Bronchialschleimhaut und schädigt dadurch dieses
Selbstreinigungssystem der Atemwege. Nicht abtransportierter Schleim und verklebte Fremdkörper verengen die Atemwege. Verbleibende Bakterien finden im
nicht abtransportierten Schleim einen guten Nährboden und können Infektionen der Lunge verursachen.
3.
a) Individuelle Lösung, z. B.:
Gründe, um mit dem Rauchen zu beginnen:
Zigarettenkonsum im Elternhaus; durch Freunde
zum Rauchen verleitet; Vorbilder, die rauchen
Gründe, um beim Rauchen zu bleiben:
Jugendliche werden in der Gruppe rauchender
Freunde besser akzeptiert, wenn sie mitmachen;
Jugendliche halten das Rauchen nicht selten für
„cool“; Langeweile; Abhängigkeit
b) Individuelle Lösung.
4.
Individuelle Lösung, z. B. mit folgenden Argumenten:
Pro:
–Die Bilder sind teilweise schockierend und ekelerregend. Aber genau das sollen sie ja auch sein,
damit (potenzielle) Raucher abgeschreckt werden
oder zumindest ins Nachdenken geraten.
–Es gehört zu den Aufgaben des Staates, darauf
zu achten, dass gesundheitliche Risiken durch
Tabakhersteller (aus Profitgründen) nicht ver­
schleiert werden.
–Bildliche Warnhinweise wirken, denn ein Bild
sagt mehr als tausend Worte.
–Es besteht eine hohe Akzeptanz für bildliche
Warnhinweise in Deutschland, denn Piktogramme etc. gehören zum alltäglichen Leben (Verkehrsschilder, Apps …).
M
Kontra:
– Bei jungen Leuten sind die Glimmstängel sowieso
„out“.
–Dass Rauchen die Gesundheit schädigt, weiß inzwischen jeder.
–Arbeitsplätze in der Tabakindustrie und den
­Tabak erzeugenden Ländern sind bedroht.
–Boom im illegalen Tabakhandel
–
weniger Steuereinnahmen durch das Land
­(Tabaksteuer)
Modelle: Körpergröße und Wärmehaushalt
1.
a)
A0 (cm)
A0 (cm2)
  10
V (cm )
  600
1000
A0 : V
0,6 : 1
3
  9
486
  8
384
  7
294
  6
216
  5
150
 4
96
 3
54
 2
24
1
729
512
343
216
125
64
27
1
0.67 : 1
0,75 : 1
0,86: 1
1:1
1.2: 1
1.5 : 1
2:1
 8
3:1
b) Im Modell zum Wärmehaushalt entspricht der
Elefant einem Würfel mit großer Kantenlänge, die
Maus einem Würfel mit kleiner Kantenlänge. Der
Wärme abgebenden Körperoberfläche entspricht im
Modell die Oberfläche A0, dem Wärme bildenden
Körpervolumen entspricht das Würfelvolumen V.
Setzt man diese beiden Größen zueinander in Beziehung (A0:V), so zeigt sich in der Tabelle, dass
ein großer Würfel relativ zum Volumen eine geringe
Oberfläche hat, ein kleiner Würfel dagegen relativ
zum Volumen eine große Oberfläche. Übertragen
auf den Wärmehaushalt von Maus und Elefant bedeutet dies, dass der Elefant zwar viel mehr Wärme
verliert, die er unter Sauerstoffbedarf durch die Zellatmung ersetzen muss, seine Wärme bildende Kör-
6
6:1
permasse (Volumen) aber auch viel größer ist und
relativ hierzu der Wärmeverlust über die Oberfläche
gering ist. Die Maus dagegen verliert relativ zur
Körpermasse (Volumen) sehr viel Wärme über ihre
Oberfläche und hat daher, um durch Zellatmung
Wärmeverluste zu ersetzen, einen hohen relativen
Sauerstoffbedarf.
c) Der Elefant hat relativ zu seinem großen Körpervolumen, das Wärme bildet, eine kleine Körperoberfläche, über die Wärme abgegeben wird.
Sein relativer Sauerstoffbedarf ist daher klein. Die
Maus hat relativ zu ihrem kleinen Körpervolumen,
das Wärme bildet, eine große Körperoberfläche,
über die Wärme abgegeben wird. Ihr relativer Sauerstoffbedarf ist daher groß.
75
2.
Ein Modell stellt die Wirklichkeit in vereinfachter
Form dar. Von den vielen Merkmalen des Originals werden nur einige wenige herausgefiltert und
betrachtet. Meistens sind es die, die in Bezug auf
eine Fragestellung besonders interessant sind. Ein
Modell hat also nur wenige Eigenschaften des Originals und ist dadurch besonders anschaulich. Es
ermöglicht anschauliche Vergleiche, z. B. zum Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bei Maus
und Elefant.
3.
Säugetier
Maus
Meerschwein
Zwergziege
Orang-Utan
Mensch
Löwe
Pferd
Elefant
Masse in g
O2-Bedarf in ml O2
pro Stunde
       22
      900
    7 000
    54 000
    76 000
  155 000
  500 000
3 833 000
     36
    605
  2 710
  12 105
  15 980
  26 490
  65 100
268 000
Je größer die Masse eines Säugetiers ist, umso größer ist sein absoluter Sauerstoffbedarf (in ml pro
Stunde), da viele Körperzellen versorgt werden
müssen und viel Wärme über die Haut verloren
geht.
Um einen für alle Tiere vergleichbare Werte zu erhalten, wird der Bedarf auf ein Gramm Körpermasse
umgerechnet. Dazu wird der gemessene O2-Bedarf
pro Stunde durch die Körpermasse geteilt. Folgende
Aussagen sind damit möglich: Relativ zur Körpermasse nimmt der Sauerstoffbedarf aber mit zunehmender Größe des Tieres ab, da das Verhältnis von
76
O2-Bedarf in ml O2
pro g Körpermasse
und Stunde
1,64
0,67
0,39
0,22
0,21
0,17
0,13
0,07
Herzfrequenz
600
280
158
106
 72
 50
 44
 26
Körperoberfläche (Wärme abgebend, entspricht im
Modell aus Abb. 2 der Oberfläche A0) zu Körpervolumen (Wärme bildend, entspricht im Modell aus
Abb. 2 dem Volumen V) immer kleiner wird (Verhältnis in Abb. 2: A0:V). Verbunden mit dem relativen Sauerstoffbedarf pro g Körpermasse ist auch
die Herzfrequenz bei großen Tieren niedrig und bei
kleinen Tieren hoch. Eine hohe Herzfrequenz ist
dann notwendig, wenn Sauerstoff und Nährstoffe
sehr schnell über das Blut zu den Körperzellen,
in denen die Zellatmung stattfindet, transportiert
werden müssen.
8Kapitel
8.1 Ernährung im Wandel
Nahrungsbestandteile und ihre
Funktion
1.
Faktoren, die unser Essverhalten
beeinflussen
2., 4.
Ernährung früher und heute
3., 5.
Abb. 2
Abb. 1, 4
Abb. 3
1.
Der Mensch benötigt verschiedene Stoffe, um seine Körperfunktionen aufrecht zu erhalten. Hierbei
handelt es sich um die Nährstoffe Kohlenhydrate,
Fette und Eiweiße sowie um Mineralsalze, Spurenelemente, Vitamine und Wasser. Die Stoffe haben
verschiedene Bedeutungen im Körper: Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße dienen als Energiequellen; Eiweiße, Mineralsalze, Spurenelemente und
Vitamine benötigt der Mensch für Wachstum und
Entwicklung von Geweben. Für die Regulation von
Stoffwechselvorgängen werden Eiweiße, Vitamine
und Wasser benötigt.
2.
Individuelle Lösung, z. B.:
Die Abbildung zeigt eine Familie bei einer Mahlzeit
im Grünen, vielleicht im eigenen Garten. Sie essen
gemeinsam, und reden und lachen miteinander.
In der dargestellten Situation wird deutlich, dass
Essen nicht nur Nahrungsaufnahme ist, sondern
auch soziale Aspekte hat, zum Beispiel Menschen
gesellig verbindet.
3.
Ernährungsregeln bei Früh­
menschen
– Iss möglichst viel.
– Bewege dich nur, wenn es
sein muss.
– Iss, wann immer du die
Möglichkeit dazu hast.
– Vermeide Nahrungsmittel
mit geringem E
­ nergiegehalt.
– Iss möglichst viel Fett.
und bei heute
­lebende Menschen
– Iss nicht zu viel.
– Bewege dich
­möglichst viel.
– Iss nicht dauernd
­zwischendurch.
– Vermeide energie­
reiche Lebensmittel.
– Iss wenig Fett.
Begründung: Die Ernährungsregeln heute sind das
Gegenteil der Ernährungsregeln zur Zeit der Frühmenschen. Früher stand Nahrung nicht in der Menge
zur Verfügung, wie es heute der Fall ist. Die Frühmenschen mussten daher, wenn sie Nahrung fanden,
möglichst viel und fettreich essen, um ihren Energiebedarf zu decken. Heute hat sich das Tätigkeitsfeld
der meisten Menschen sehr verändert. Durch viele
„geistige“ und weniger „körperliche“ Beanspruchung
des Körpers braucht man nicht so viel und nicht so
fettreiches Essen. Außerdem muss der „Energieüberschuss“ durch viel energiereiche Nahrung durch Bewegung wieder ausgeglichen werden.
4.
Umwelt: Je nach den klimatischen Bedingungen isst
man wenig und trinkt zum Beispiel mehr (z. B. an
heißen Tagen im Sommer).
Geographie, soziale Herkunft: An unterschiedlichen
Orten oder in unterschiedlichen Bevölkerungsschichten hat das Essen unterschiedliche Bedeutungen.
Klasse, Schicht-, Bezugsgruppe: Man lässt sich durch
Mitschüler und Werbung beeinflussen.
Familie: Bei vielen Familien wird nicht immer zusammen gegessen; das ist zeitlich nicht immer möglich.
Gesellschaft: Dinge, die „in“ sind, werden häufig gegessen, weil man „dazu gehören“ möchte.
Kultur: Die Erziehung prägt das Essverhalten.
Schule: Nur wer genügend Wissen über Ernährung
hat kann eine „gesunde“ Auswahl treffen.
77
Religion: Nicht alle Speisen (zum Beispiel bestimmte Fleischsorten) sind in allen Religionen erlaubt.
Technologie: Mit technischer Hilfe (z. B. Küchengeräte) können Speisen zubereitet werden, die ohne
nicht oder nur schwer zuzubereiten wären.
Nahrungsmittel: Speisen, die einem schmecken,
nimmt man öfter und in größerer Menge zu sich.
Beruf: Menschen, die viel „geistig“ arbeiten, benötigen weniger energiereiche Nahrung als Menschen
mit „körperlicher“ Arbeit.
Status: Ein Säugling benötigt andere Nahrung als
ein Erwachsener.
Stoffwechsel: Wenn man Hunger hat, isst man etwas.
Vererbung: Es gibt Menschen, die vererbungsbedingt einen höheren Nährstoffbedarf haben.
Seele, Körper: Psychische Probleme können eine
Störung im Essverhalten hervorrufen (z. B. Magersucht). Ein an Diabetes erkrankter Mensch muss/
sollte eine bestimmte Diät einhalten.
5.
Mögliche Beispiele zur Erläuterung: Hochleistungssportler haben einen erhöhten Energiebedarf. Sie
müssen daher möglichst viel und kohlenhydratreich
essen, um ihren Energiebedarf zu decken. Wenn
sich ihre Lebensweise ändert, z. B. weil Sie nicht
trainieren können, müssen sie auch die Ernährung
anpassen und weniger energiereiche Nahrung zu
sich nehmen. Sonst würden sie wohl schnell zunehmen.
Umgekehrt benötigt jemand, der bisher viel im Büro
am Schreibtisch gesessen hat und auch sonst ein
Sportmuffel war, auf einmal viel mehr energiereiche Nahrung, wenn er beginnt regelmäßig Sport zu
treiben, indem er z. B. für einen Marathon trainiert.
Sehr alte Menschen, die sich nicht mehr viel bewegen können, brauchen insgesamt weniger energiereiche Nahrung und kohlenhydratreiches Essen.
8.2Gesunde Ernährung, aber wie?
Was ist gesunde Ernährung?
Abb. 1
body-mass-index
2.
Lässt sich gesunde Ernährung im
Alltag realisieren?
1.
Kennzeichnung von Lebensmitteln
3., 4.
Abb. 1, 3
Abb. 4, 5
1.
a)
Nahrung
Wasser
Milchprodukte
Fisch/
Fleisch/Eier
Nüsse/Hülsenfrüchte
Gemüse/Obst
Pflanzenöle
Vollkorn­produkte
Bewegung
Deutsche Gesellschaft für Ernährung
relativ viel
wenig
wenig, keine Unter­scheidung der Sorten
Ernährungspyramide
keine Aussage
wenig
wenig; wenig rotes Fleisch, mehr Geflügel, Eier
und Fisch
keine Aussage
recht viel
reichlich Gemüse und Obst, mehr Gemüse reichlich Gemüse und Obst zu gleichen Teilen
keine Aussage über pflanzliche Öle; nur
zu den meisten Mahlzeiten Pflanzenöle
wenig ungesättigte Fette
relativ viel
viel
keine Aussage
sehr viel
b) Individuelle Antwort.
78
2.
Person
Angelina Jolie
Mario Götze
Lena Gercke
Ralf Möller
BMI
19,7
20,7
17,8
33,5
Anhand der Tabelle erkennt man, dass Lena Gercke Untergewicht und Ralf Möller Übergewicht hat.
Angelina Jolie und Mario Götze liegen im Normbereich. Der BMI spiegelt ihren Tätigkeitsbereich wieder. Obwohl diese Schönheitsideale zunehmend in
Frage gestellt werden, sind Models oft immer noch
sehr schlank und untergewichtig und ein „Mister
Universum“ hat deutlich mehr Körper- bzw. Muskelmasse als andere Männer seiner Größe im Durchschnitt haben. Gleichzeitig zeigen diese Ergebnisse,
dass ein muskulöser Mensch einen hohen BMI erreichen kann, ohne Fett anzusetzen. Der BMI-Wert
muss also individuell beurteilt werden.
3.
a) Die Ampelkennzeichnung auf Lebensmittelver­
packungen nennt den Gehalt an Fetten, gesättigten
Fettsäuren, Zucker und Salz. Die Kennzeichnung erfolgt in den Farben einer Verkehrsampel. Rot symbolisiert einen hohen, Gelb einen mittleren und Grün
einen niedrigen Gehalt. Zusätzlich werden die Werte
in Gramm pro 100 Gramm oder 100 ml angegeben.
GDA ist eine Abkürzung von „Guideline Daily
Amount“, eine Richtlinie für die tägliche Menge
von Zucker, Fett, gesättigten Fettsäuren und Salz
in der aufgenommenen Nahrung. Die angegebenen
Werte beziehen sich auf eine ebenfalls angegebene
Portion in Gramm. Die Angaben der GDA-Kennzeichnung werden in kleinen Feldern dargestellt.
b) Individuelle Lösung.
4.
Mögliche Argumente für die GDA-Kennzeichnung:
•Die GDA-Angaben informieren über den Energiegehalt des Lebensmittels und über enthaltene Stoffe
wie Zucker, Fett, gesättigte Fettsäuren und Salz (Natrium).
•Die GDA-Angaben geben die jeweiligen Mengen auch in Prozent der empfohlenen Tageszufuhr für
einen Erwachsenen.
Mögliche Argumente gegen die GDA-Kennzeichnung:
•Die GDA-Angaben beziehen sich auf eine Portion,
deren Größe der Hersteller selbst wählt. Je kleiner
die Portion, desto kleiner wird natürlich die Prozentangabe und damit der Anteil an der empfohlenen Verzehrsmenge pro Tag. Menschen essen
aber durchschnittlich größere Portionen, als die
Hersteller angeben. Unterschiedlich große Portionen machen es zudem sehr schwer, Produkte
miteinander zu vergleichen.
•Der Richtwert, auf dem die GDA-Angaben fußen,
ist vom Europäischen Verband der Lebensmittelindustrie selbst festgesetzt worden.
•Auch bei den speziell für Kinder beworbenen Produkten wird der Kalorienbedarf einer erwachsenen Frau angesetzt. Bezogen auf den täglichen
Kalorienbedarf von Kleinkindern wären die Prozentangaben viel höher.
Mögliche Argumente für die Ampel-Kennzeichnung:
•Auf einen Blick wird der Verbraucher durch eine
Grafik auf der Vorderseite von Lebensmittelverpackungen über die wichtigsten Nährwerte informiert und kann Produkte schnell vergleichen.
•Zur Orientierung wird jeder Wert mit einer der
bekannten Signalfarben Rot, Gelb und Grün hinterlegt, je nach dem, ob es sich um einen hohen,
mittleren oder niedrigen Gehalt handelt. Das ist
so einfach wie möglich und so komplex wie nötig.
•Die Angaben beziehen sich genormt auf 100
Gramm und nicht auf eine Portion.
Mögliche Argumente gegen die Ampel-Kennzeichnung:
•Ein rotes Ampelsignal auf Lebensmitteln bedeutet
„Stopp, nicht essen!“ Mit auch nur einer roten von
vier Ampeln wird ein Produkt zum Laden­hüter.
•Kalorienwerte und die Anteile der empfohlenen
Tagesmenge werden nicht angegeben.
•Ernährung ist komplex, die Kennzeichnung mit
den Ampelfarben dagegen ist zu vereinfachend.
Dadurch werden Lebensmittel in „gute“ und
„schlechte“ Produkte eingeteilt und Lebensmittel
mit einem roten Punkt diskriminiert.
•Die Beschränkung auf Produkte mit wenig Fett,
Zucker oder Salz stellten keine ausgewogene Ernährung dar. Die Ampel ist damit sogar gesundheitsschädlich, weil sich ältere Menschen, Untergewichtige oder Magersüchtige dadurch möglicherweise falsch ernähren.
79
8.3Nahrung versorgt den Körper mit Energie
Tätigkeiten und Energiebedarf
Abb. 1
Grundumsatz, Leistungsumsatz,
­Gesamtumsatz
1.
Energiegehalt von Nahrungsmitteln
berechnen
2. a
Energiebedarf
2., 3.
Abb. 1, 3
Abb. 3, 4
Abb. 1-5
Ursachen von Übergewicht
4.
Abb. 6
1.
a) mögliche Definition: Unter Energie versteht man
die Fähigkeit, Arbeit zu leisten.
Die Bewegung unserer Muskeln, die Aufnahme und
Verarbeitung von Sinnesreizen und die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur sind Leistungen des
Körpers, die Energie benötigen.
2.
a)
Nahrungsmittel (100 g)
Joghurt
Käse
1 Ei
Butter
Schweinefleisch
Mettwurst
Huhn
Fischstäbchen
Haferflocken
Reis
Nudeln
Roggenbrot, 2 Scheiben
Kartoffeln
80
Energiegehalt aus Kohlen­
hydraten in kJ
  78,2
   –
   6,8
  11,9
   –
   –
   –
 170,0
1128,8
1281,8
1222,3
 875,5
 147,9
b) Grundumsatz: die Energie, die bei völliger Ruhe
des Körpers benötigt wird.
Leistungsumsatz: den bei Tätigkeiten über den
Grundumsatz hinausgehenden Energiebedarf. Das
ergibt die Formel: Leistungsumsatz = Gesamtumsatz – Grundumsatz.
Als Grundumsatz kann der Gesamtumsatz für ruhiges Liegen verwendet werden, das sind hier 350 Kilojoule pro Stunde. Es ergeben sich folgende Werte
für den Leistungsumsatz:
ruhiges Liegen
   0
ruhiges Stehen
  70
Gehen, 3 km/h
 650
Gehen, 8 km/h
1750
Schwimmen, 0,6 km/h
 530
Schwimmen, 4,2 km/h
2150
Radfahren, 9 km/h
 530
Radfahren, 30 km/h
2750
Laufen, 11 km/h
1850
Laufen, 19 km/h
3750
Büroarbeit
30-70
Die Unterschiede kommen durch die verschiedenen
Tätigkeiten zustande. Schnelleres Radfahren, Laufen, … benötigt mehr Energie als bei geringerem
Tempo. Der Leistungsumsatz der Bürotätigkeit ist
vergleichsweise niedrig; Ursache ist, dass es sich
hierbei um eine eher „geistige“ Arbeit handelt, die
einen geringen Energieverbrauch mit sich bringt.
Energiegehalt aus Fett in kJ Energiegehalt, gesamt in kJ
 144,3
1158,3
 241,8
3244,8
 741,0
1755,0
  35,1
 136,0
 288,6
  85,8
 108,42
  39,0
   7,8
 222,50
1158,30
 248,60
3256,70
 741,00
1755,00
  35,10
 326,00
 417,40
1367,60
1330,72
 914,50
 155,70
b) Nein, er kann seinen täglichen Energiebedarf
nicht decken. Der Energiegehalt beträgt insgesamt
6551,7 Kilojoule; es entsteht ein Defizit von 5998,3
Kilojoule.
   4 Scheiben Roggenbrot → 1829 kJ
  50 Gramm Käse → 579,15 kJ
  50 Gramm Mettwurst → 877,5 kJ
  50 Gramm Butter → 1628,35 kJ
100 Gramm Kartoffeln → 155,7 kJ
200 Gramm Schweinefleisch → 1482 kJ
c) 300 Gramm Nudeln ergeben einen Energiegehalt
von 3992,16 Kilojoule. Damit könnte die Person
ungefähr vier (3 km/h) beziehungsweise ungefähr
zwei Stunden (8 km/h) gehen oder ungefähr zwei
(11 km/h) beziehungsweise ungefähr eine Stunde
(19 km/h) laufen.
4.
Bei Modell 1 wird nur der Gesamtenergiegehalt, der
dem Körper zugeführt wird, betrachtet. Eine eventuelle Diät bezöge sich daher darauf, die Gesamtenergiemenge, die dem Körper zugeführt wird, zu
verringern, indem man z. B. insgesamt weniger isst
und damit auch weniger in den Nahrungsmitteln
gespeicherte Energie zu sich nimmt.
Bei Modell 2 wird der Überschuss an Blutzucker
für das Entstehen von Übergewicht verantwortlich
gemacht. Hier böte sich daher eine Diät an, die darauf abzielt, den Kohlenhydratanteil der Nahrung zu
verringern, indem man z. B. weniger Brot, Zucker
oder Nudeln zu sich nimmt, da so die Bildung des
Blutzuckers reduziert würde.
3.
35 g Kohlenhydrate ∙ 17 kJ/g =   595 kJ
27 g Fett ∙ 39 kJ/g
= 1053 kJ
Gesamtsumme
= 1648 kJ
Energiegehalt des Hamburgers: 1648 Kilojoule (595
Kilojoule aus den Kohlenhydraten und 1053 Kilojoule aus dem Fett)
Ein 15-jähriges Mädchen hat einen Energiebedarf
von 9620 Kilojoule. Der Hamburger deckt ungefähr
17 Prozent ihres täglichen Energiebedarfs.
+
MVersuche durchführen
1. + 2.
Individuelle Lösungen.
81
8.4 Wirkung von Enzymen
2.
Funktion der Enzyme als Biokatalysatoren
Amylase spaltet Stärke
Abb. 1
Ablauf einer enzymkatalysierten
Reaktion – das Schlüssel-SchlossPrinzip
1.
Substratspezifität von Enzymen
2.
Abb. 2
Abb. 3
Resistenzen gegen Medikamente
3.
Abb. 4
1.
a) Herstellung eines Pappmodells mit geeigneten
Formen, siehe Abb. 2.
b) Veranschaulicht werden können
–Die Substratspezifität des Enzyms durch entsprechende Formen von Substrat und Enzym
–Die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes
durch Verknüpfung von Enzym und Substrat
82
a) Beobachtung: Der Agar in den Petrischalen 2,
4, 6 ist trübe. In der Mitte der Petrischale 4 ist ein
klarer Bereich entstanden.
Der Agar in den Petrischalen 1, 3, 5 ist dunkel gefärbt. In der Mitte der Petrischale 1 ist ein heller
Fleck entstanden.
Deutung: Pepsin ist ein Enzym, das Eiweiße wie
Albumin spalten kann. Dadurch entsteht in Petrischale 4 ein klarer Bereich. Speichel enthält keine
Enzyme, die Eiweiße spalten. Deshalb tritt bei Petrischale 3 keine Veränderung ein.
Speichel enthält Amylase. Das Enzym spaltet Stärke. An den Stellen, an denen Amylase in Petrischale
1 wirkt, kann sich der blaue Iod-Stärke-Komplex
nicht bilden. Der Agar wird farblos. Amylase kann
aber Albumin nicht spalten. Deshalb tritt in Petrischale 2 keine Veränderung auf.
b) Die Petrischalen 5 und 6 dienen der Kontrolle.
Dadurch wird bewiesen, dass die in den anderen
Petrischalen beobachteten Veränderungen tatsächlich auf die zugesetzten Stoffe zurückzuführen sind.
3.
Manche Bakterien sind resistent gegen einige der
Wirkstoffe in den Medikamenten. Sie verfügen über
Enzyme, die die Wirkstoffe spalten und so unwirksam machen. Deshalb werden Wirkstoffe leicht in
ihrer Zusammensetzung verändert. Häufig sind
sie dann wieder wirksam. Das liegt daran, dass
sich durch die leichte Veränderung des Wirkstoffes
kein Enzym-Substrat-Komplex mehr zwischen dem
Wirkstoff und dem abbauenden Enzym ausbilden
kann. „Schlüssel“ und „Schloss“ passen nicht mehr
zueinander. Die Veränderung in der Molekülstruktur des Wirkstoffes ist aber nicht so groß, dass er
nicht mehr gegen die Bakterien wirken kann.
4.
Versuch a): In Wasser befindet sich Stärke. Diese
Mischung wird durch einen Filter gegossen. Stärke
bleibt im Filter zurück, das Wasser passiert den Filter. Versuch b): Eine Maltoselösung wird durch den
Filter gegossen. Maltose gelangt mit dem Wasser
durch den Filter. Versuch c): In Wasser befindet
sich Stärke und Speichel. Die Lösung wird durch
einen Filter gegossen. Es ist zu erwarten, dass die
Stärke durch die im Speichel enthaltene Amylase
in Maltosemoleküle gespalten wird, diese gelangen
dann durch den Filter und befinden sich in der
filtrierten Lösung.
Ein experimenteller Nachweis sollte zeigen, dass in
Versuch c) keine Stärke mehr enthalten ist, sondern
Maltose. Dies erfordert eine Recherche zum Thema
Nachweismethoden für Stärke und Maltose. Mög-
liche experimentelle Untersuchung: Wenn man der
Lösung aus Versuch c Iodkaliumiodidlösung zugibt,
darf keine Verfärbung auftreten. Das beweist, dass
keine Stärke enthalten ist. Gibt man Fehling-Lösung
zu und erwärmt, erwartet man einen roten Niederschlag. Der Niederschlag zeigt an, dass die Stärke
zu Maltose abgebaut wurde. (Anmerkung: FehlingLösung ist kein spezifischer Maltose-Nachweis. Da
Amylase als Enzym mit Stärke Substrat- und wirkungsspezifisch reagiert, lässt die Rotfärbung auf
Maltose als Reaktionsprodukt schließen.)
8.5 Verdauung im Überblick
–
MConcept-Map
1. + 2.
Individuelle Lösungen.
83
9
Herz und Blutkreislauf
9.1 Aufgaben des Blutes
Blutbestandteile
Blutspuren deuten
Anzahl der Roten Blutzellen
1., 2.
Abb. 1, 2, 3, 6
Das Becherglas enthält 100 ml Blut. Der abgesetzte
Teil sind etwa 55 ml, das rötlichklare Blutplasma
darüber macht also etwa 45 ml aus.
3.
3.
Abb. 5
Abbildung 5a: Die Blutspur besteht aus einem relativ großen Blutfleck am Boden mit vielen kleineren
Spritzern. Diese Spur lässt sich einem der größeren
lang gestreckten Tropfen zuordnen (Teilabbildung
oben links). Beim Aufprall bildet der vordere große
Teil des Tropfens den Fleck. Der gestreckte Bereich
des Tropfens besitzt ein geringeres Blutvolumen
und trifft etwas später auf. Dadurch bilden sich die
Spritzer.
Abbildung 5b: Die Blutspur besteht aus sieben unterschiedlich großen runden Flecken am Boden ohne Spritzer. Alle Flecken sind kleiner als der Fleck
in Abbildung 5a. Diese Spur kann den kleineren
runden Tropfen in der mittleren Teilabbildung zugeordnet werden. Das jeweilige Volumen dieser Tropfen ist zwar unterschiedlich, innerhalb der einzelnen Blutstropfen aber gleichmäßig verteilt. Dadurch
bleiben Spritzer aus.
Abbildung 5c: Die drei Blutspuren an der Wand zeigen keine Tropfenform. Sie zeigen unterschiedliche
gestreckte, geschlängelte Formen mit unterschiedlichen Längen. Spritzer fehlen. Man kann daraus
schließen, dass, wie in 1b, zunächst kleinere Blutstropfen mit jeweils unterschiedlichem Volumen auf
die Wandfläche gelangt sind. Danach folgen sie der
Schwerkraft, sie verlaufen nach unten. Im Vergleich
zeigen sie dann unterschiedliche Größen. Vermutlich war der aufgetroffene Blutstropfen in Abbildung
5c links größer als der mittlere. Der rechte Blutstropfen war dann der kleinste. Außerdem könnten die
drei Tropfen von links nach rechts zeitlich nacheinander versetzt an die Wand gelangt sein.
4.
Grundwissen
1.
a)
Blutbestandteile Aufgaben der Blutbestandteile
Rote Blutzellen – Transport von Sauerstoff zu allen
Teilen des Körpers
– Transport von Kohlenstoffdioxid
aus allen Teilen des Körpers zur
Lunge
Weiße Blutzellen – gehören zu den wichtigsten
Zellen des Immunsystems zur
Abwehr von mikroskopisch
kleinen Krankheitserregern wie
Bakterien und Viren
Blutplättchen
– stoppen zusammen mit dem im
Blut gelösten Fibrin Blutungen.
Über die Blutplättchen legt sich
ein dichtes Fibrinnetz, das die
Blutplättchen miteinander verklebt. Die Blutung wird beendet.
b) Die Abbildung zeigt: sauerstoffreiches Blut ist hellrot und kohlenstoffdioxidreiches Blut ist dunkelrot.
Sauerstoffreiches (hellrotes Blut) befindet sich in den
Blutgefäßen, die von der Lunge über das Herz in den
Körper zu den Zellen führen. Dort wird Sauerstoff in
die Zellen aufgenommen und Kohlenstoffdioxid in das
Blut abgegeben. Kohlenstoffdioxidreiches (dunkelrotes Blut) befindet sich in den Blutgefäßen, die aus dem
Körper über das Herz wieder zur Lunge führen.
84
2.
4.
Bei den gleichwarmen Tieren, z. B. einer Maus, sorgen Regelungsmechanismen im Körper für e­ine
gleich bleibende Temperatur: Bei absinkenden
Außentemperaturen erhöht sich die Stoffwechsel­
­
aktivität in den Zellen, wodurch Wärme entsteht. Dafür wird allerdings Sauerstoff benötigt. Über die große
Zahl an Roten Blutzellen (9,5 Millionen pro mm3 bei
der Maus) können entsprechend viele Sauerstoffmoleküle in kurzer Zeit zu den Zellen transportiert werden.
Bei wechselwarmen Tieren, z. B. der Erdkröte, ist
die Körpertemperatur etwa so hoch wie die Umgebungstemperatur. Die Erdkröte beeinflusst ihre Körpertemperatur durch ihr Verhalten. Zum Wärmen
legt sie sich in die Sonne, zur Abkühlung sucht sie
den Schatten auf. Bei wechselwarmen Tieren gibt
es jedoch keinen Regelungsmechanismus, der bei
Kälte die Stoffwechselaktivität erhöht. Die Anzahl
Roter Blutzellen (0,4 Millionen pro mm mm3 bei der
Erdkröte) kann deutlich geringer sein als bei gleich
großen gleichwarmen Tieren, da für die Temperaturregelung kein Sauerstoff benötigt wird.
9.2Blutkreislauf
Gesamtlänge der Blutgefäße
Abb. 1
Grundwissen
Körper- und Lungenkreislauf
1.
Abb. 2, 4
Venenklappen
2.
Abb. 5
Blutzusammensetzung
3.
Abb. 2, 3
langt mit dem Blutkreislauf in die rechte Herzhälfte.
Das Herz pumpt dieses Blut zur Lunge.
Lungenkapillaren: In den Lungenbläschen gelangen
Sauerstoffmoleküle aus der Einatmungsluft in ein
feines Netz von Blutgefäßen. Gleichzeitig bewegen
sich Kohlenstoffdioxidmoleküle aus diesen Kapillaren in die Ausatmungsluft. Das jetzt sauerstoffreiche Blut (rot) gelangt durch die Lungenvene zur linken Herzkammer. Der Blutkreislauf setzt sich fort.
Herz: Es ist in zwei Hälften geteilt. Auf der linken
Seite pumpt es sauerstoffreiches und auf der rechten Seite sauerstoffarmes Blut. Damit verbindet es
den Körperkreislauf und den Lungenkreislauf.
b) Der Lungenkreislauf ermöglicht die schnelle Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff. Gleichzeitig
wird Kohlenstoffdioxid aus dem Blut entfernt.
1.
2.
a) linke Herzhälfte: Die linke Herzhälfte enthält mit
Sauerstoff angereichertes Blut, das aus der Lunge
kommt.
Körperkapillaren: Über ein System weit verzweigter Arterien gelangt sauerstoffreiches Blut (rot) aus
der linken Herzhälfte in die Körperkapillaren und
damit in die Nähe aller Zellen des Körpers. Sauerstoffmoleküle gelangen aus dem Blut in die Zellen,
Kohlenstoffdioxidmoleküle aus den Zellen in das
Blut. Das Blut ist jetzt sauerstoffarm und kohlenstoffdioxidreich (blau).
rechte Herzhälfte: Das jetzt sauerstoffarme und
gleichzeitig kohlenstoffdioxidreiche Blut (blau) ge-
Hypothese: Bei defekten Venenklappen staut sich das
Blut in den Beinvenen immer dann, wenn die Beine
sich längere Zeit unterhalb des Herzens befinden, und
die Beinmuskeln kaum aktiv sind, z. B. beim Stehen
oder Sitzen. Das kann dazu führen, dass die Gefäße
ausleiern und sich „Krampfadern“ bilden.
Begründung: Der Blutdruck in den Venen ist nicht
so hoch, wie in den Arterien. Er allein reicht nicht,
um das Blut gegen die Schwerkraft zum Herzen
zu transportieren. Der Blutfluss in den Venen wird
durch Muskelarbeit unterstützt und außerdem wirken die Venenklappen als Ventile, die das Blut nur
in Richtung Herz durchlassen. Das ist vor allem
85
wichtig, wenn die Muskeln nicht aktiv sind. Bei defekten Venenklappen sinkt das Blut bei zu geringer
Muskelaktivität immer wieder ganz nach unten und
staut sich dort. Die Blutgefäße erweitern sich unter
dem ständigen Druck. Sie verlieren ihre Elastizität
und nehmen dauerhaft Schaden.
3.
Aufenthaltsort 1 befindet sich nach der Anreicherung des Blutes mit Sauerstoffs, also hinter der
Lunge, da der Sauerstoffgehalt groß und der Kohlenstoffdioxidgehalt klein ist. Er liegt auch vor dem
Punkt, an dem die Kapillaren des Darmes in die Kör-
pervene einmünden, da der Gehalt an Nährstoffen
gering ist und das Blut erst im Bereich des Darmes
mit Nährstoffen angereichert wird.
Aufenthaltsort 2 liegt vor der Lunge, da der Sauerstoffgehalt klein und der Kohlenstoffdioxidgehalt
groß ist. Er liegt jedoch nach dem Punkt, an dem die
Kapillaren des Darmes in die Körpervene einmünden, da der Gehalt an Nährstoffen hoch ist.
Aufenthaltsort 3 liegt vor der Lunge, da der Sauerstoffgehalt klein und der Kohlenstoffdioxidgehalt
groß ist. Er liegt auch vor dem Punkt, an dem die
Kapillaren des Darmes in die Körpervene einmünden, da der Gehalt an Nährstoffen gering ist.
9.3Mit dem Blut werden Atemgase transportiert
Weg der Atemgase zwischen
­Atemluft und Zelle
1.
Blut transportiert nicht nur
­Atemgase
2.
Abb. 2
3.
Abb. 1, 4
Abb. 3
1.
Weg des Sauerstoffmoleküls:
1: Nasenrachenraum
↓
2: Luftröhre
↓
3: Bronchien
↓
4: Bronchiolen
↓
5: Lungenbläschen mit Kapillaren
↓
6: Blutgefäß, das zum Herzen führt
↓
7: linke Herzkammer
↓
8: Aorta
↓
9: Arterie
↓
10: Kapillarmembran an einer Zelle
86
Verteilung des Blutvolumens im
Blutgefäßsystem
Weg des Kohlenstoffdioxidmoleküls:
10: Kapillarmembran an einer Zelle
↓
11: Vene
↓
12: Stammvene
↓
13: rechte Herzkammer
↓
14: Lungenarterie
↓
15: Blutgefäß, das zu den Lungenbläschen führt
↓
5: Lungenbläschen mit Kapillaren
↓
4: Bronchiolen
↓
2: Luftröhre
↓
3: Bronchien
↓
1: Nasenrachenraum
2.
Das Blut transportiert den Sauerstoff aus der Lunge in das Gewebe und transportiert das Kohlenstoffdioxid aus dem Gewebe in die Lunge. Das Blut
transportiert die aufgenommenen Nährstoffe (Traubenzucker, Fette, Aminosäuren), Wasser, Vitamine
und Salze aus dem Darm zu den Zellen im Gewebe.
Gleichzeitig werden mit dem Blut auch Botenstoffe
(Hormone) aus den Hormondrüsen an ihre Wirkorte transportiert.
3.
Die Hauptmenge des Blutes (4,2 l) befindet sich in
den Kapillaren, Arterien und Venen. Der größte Teil
davon (2,4 l) befindet sich in den Kapillaren. Nur
ein geringer Anteil des Blutes befindet sich im Herzen (0,36 l) und im Lungenkreislauf (0,44 l).
Die kleinsten Blutgefäße sind die Kapillaren. Zehn
Kapillaren zusammen sind in etwa so dick wie ein
menschliches Haar. Sie haben daher insgesamt eine
sehr große Oberfläche. Über die feinen Kapillaren
wird jede einzelne Körperzelle mit Nährstoffen und
Sauerstoff versorgt. Nicht mehr benötigte Stoffe
werden ins Blut abgegeben und abtransportiert.
Die Kapillaren versorgen alle Organe und haben damit eine sehr große Oberfläche, sodass sich hier die
Hauptmenge des Blutes befinden muss. Die Wände
der Kapillaren sind sehr dünn. Die Atemgase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid können ungehindert
durch die Kapillarwand gelangen. Eine große Oberfläche sichert pro Zeiteinheit einen sehr schnellen
Gasaustausch. Das Herz dient nur zum Antrieb des
Blutes. In den Lungenbläschen wird über die Lungenkapillaren kontinuierlich Sauerstoff in das Blut
aufgenommen und Kohlenstoffdioxid abgegeben.
9.4Bau und Leistung des Herzens
Aufbau des Herzens
Abb. 1, 2
4.
Blutfluss und Blutdruck
Abb. 5
1.
Herzzyklus
Abb. 3
Vergleich mit einer technischen
Pumpe
Pulswellengeschwindigkeit des
­Blutflusses
3.
Abb. 6
2.
Abb. 4
1.
Diastole
Kontraktion der Vorkammern
Systole
Vorkammer
Füllphase
kontrahiert
entspannt
Herzkammern
entspannt
entspannt, Füllphase
kontrahiert
Segelklappen
geschlossen
geöffnet
geschlossen
Taschenklappen
geschlossen
geschlossen
geöffnet
2.
a) Hohlraum A wird kleiner, hier entsteht ein Überdruck. Hohlraum B wird größer, hier entsteht ein
Unterdruck. Ventile 1 und 3 sind geöffnet, Ventil 2
ist geschlossen. Aus Hohlraum A wird Flüssigkeit
herausgedrückt. In Hohlraum B strömt Flüssigkeit
ein.
87
b) Hohlraum A wird größer, hier entsteht ein Unterdruck. Hohlraum B wird kleiner, hier entsteht ein
Überdruck. Ventile 1 und 3 sind geschlossen, Ventil
2 ist geöffnet. Flüssigkeit fließt aus Hohlraum B in
Hohlraum A.
c) Folgende Strukturen entsprechen sich:
Ablauf
Arterie
Ventil l
Taschenklappe
Hohlraum A
Herzkammer
Ventil 2
Segelklappe
Hohlraum B
Vorhof
Zulauf
Vene
Ventil 3
Venenklappe (nicht abgebildet)
d) Undichtes Ventil 1: Beim Vergrößern von Hohlraum A fließt Flüssigkeit aus dem Ablauf zurück
in die Pumpe, es wird weniger aus Hohlraum B
angesaugt. Undichtes Ventil 2: Beim Vergrößern
von Hohlraum B wird Flüssigkeit aus Hohlraum
A zurückgesaugt, die angesaugte Menge aus dem
Zulauf wird geringer. Undichtes Ventil 3: Beim Verkleinern von Hohlraum B wird Flüssigkeit in den
Zulauf zurück gedrückt. Der Zufluss in Hohlraum
A wird reduziert.
e) Wenn ein bestimmtes Volumen Blut aus der
Herzkammer gepumpt wird, muss gleichzeitig das
gleiche Volumen in den Vorhof fließen, sonst würde
der Druck in den Blutgefäßen zu groß werden.
3.
a) Messung oben: Im angezeigten Messzeitraum
von etwa 2,5 Sekunden zeigen sich drei gleichmäßige Pulswellen. Der erste Pulsschlag wird nach etwa
0,2 Sekunden gemessen und jeder Ausschlag zeigt
eine Dauer von etwa 0,2 Sekunden. Die Zeitspanne
zwischen den höchsten Ausschlägen beträgt etwa
1 Sekunde.
88
Messung unten: Im angezeigten Messzeitraum von
etwa 2,5 Sekunden zeigen sich zwei gleichmäßige
Pulswellen. Der erste Pulsschlag wird nach etwa 0,7
Sekunden gemessen und jeder Ausschlag zeigt eine
Dauer von etwa 0,3 Sekunden. Die Zeitspanne zwischen den höchsten Ausschlägen beträgt ebenfalls
etwa 1 Sekunde. Die Zeitdifferenz zwischen Halspuls und Handgelenkpuls beträgt 0,5 Sekunden.
Die Zeitdifferenz der Pulse zwischen beiden Messungen beträgt 0,5 Sekunden. Die Streckendifferenz
beträgt 45 cm. Die Geschwindigkeit, mit der sich
die Pulswelle durch die Arterie bewegt, beträgt also
90 cm/Sek.
4.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes nimmt in
den Kapillaren stark ab (mittlere Abbildung), dies
beruht auf der in der oberen Grafik dargestellten Zunahme des Gesamtquerschnittes aller Gefäße. Diese
geringe Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht einen optimalen Stoffaustausch. Das Herz treibt mit
jedem Herzschlag das Blut in den Körper und der
Blutdruck ist daher in den direkt am Herzen liegenden Gefäßen (z. B. Aorta) am höchsten und nimmt
aufgrund der Reibung an den Kapillarwänden im
weiteren Verlauf ab. Der Blutdruck in den Venen
ist vergleichsweise gering. Das Blut wird hier nur
mit Hilfe der Venenklappen und der Saugfunktion
des Herzens transportiert. In den Venen nimmt die
Strömungsgeschwindigkeit mit Abnahme der Entfernung zum Herzen leicht zu. Das Blut fließt in der
Hohlvene langsamer als in der Aorta.
9.5Anpassungen an körperliche Anstrengungen
Herzleistung in Ruhe und beim Sport
3.
Abb. 1, 4
Grundwissen
Durchblutung der Organe beim
Sport
1.
Ausdauertraining wirkt auf das Herz
2.
blutung in den Organen mit gesteigerter Aktivität
zunehmen. Der Sauerstoffbedarf des Gehirns ist in
Ruhe und bei Belastung etwa gleich, es ist immer
aktiv.
2.
a)
Abb. 2
Abb. 3
Erholungsfähigkeit verschiedener
Personen
5.
Abb. 4
1.
a) Die Abbildung zeigt im Vergleich, wie stark ausgewählte Organe bei Ruhe und bei körperlicher Belastung durchblutet werden. In beiden Fällen ist die
Lunge sehr stark durchblutet. In Ruhe sind Skelettmuskel, Niere und Darm alle etwa gleich stark
durchblutet, das Gehirn etwas weniger und Herz
und Haut noch weniger. Bei körperlicher Arbeit
sind die Skelettmuskeln extrem stark durchblutet,
Herz und Haut sind stärker durchblutet als bei Ruhe, Darm und Niere sind weniger durchblutet als
im Ruhezustand. Beim Gehirn ist kaum ein Unterschied zu erkennen.
b) Bei körperlicher Belastung benötigen einige Organe mehr Sauerstoff. Der Körper passt sich dem
erhöhten Sauerstoffbedarf der Skelettmuskeln an,
indem er schneller und tiefer atmet. Die Stärke der
Durchblutung der Lunge bleibt bei jedem Atemzug
gleich. Die Durchblutung des Herzens nimmt zu. Es
schlägt bis zu dreimal häufiger als im Ruhezustand
und pumpt das Blut schneller durch den Körper. Die
Durchblutung der Haut steigt. So kann die Wärme,
die durch die hohe Stoffwechselintensität in den Skelettmuskeln entsteht, nach außen abgegeben werden.
Es gibt auch Bereiche des Körpers, in denen die
Durchblutung bei Belastung abnimmt. Die Aktivität von Darm und Niere sinkt. So kann die Durch-
b) Beschreibung: Der Ruhepuls sinkt von 78 bei
Trainingsbeginn auf 69 bei Trainingsende.
Der Belastungspuls beginnt bei 154, erreicht am
zweiten Trainingstag 157 und sinkt dann nach und
nach auf 134 bei Trainingsende.
Der Erholungspuls liegt anfangs bei 90–92 und reduziert sich im Laufe des Trainings bis auf 75 bei
Trainingsende.
Bewertung: Der Trainingseffekt fördert die Leistungskraft des Herzmuskels. Es genügen weniger
Herzschläge pro Minute, um den Körper mit dem
benötigten Sauerstoff zu versorgen. Der Erholungspuls sinkt im Laufe des Trainings deutlich ab, fast
bis auf das Niveau des Ruhepulses. Durch das Training wird die Erholungsfähigkeit verbessert.
3.
Individuelle Lösung.
4.
Je stärker die körperliche Belastung wird, desto
mehr Sauerstoff wird für die Skelettmuskulatur benötigt. Der Herzschlag steigt bei allen vier Personen
pro Minute an. Dennis ist der am besten trainierte
89
Sportler. Seine Pulsfrequenz ist in Ruhe und bei
mittlerer Belastung viel geringer als die der anderen drei Personen, da bei ihm pro Herzschlag ein
größeres Volumen Blut und damit mehr Sauerstoff
transportiert wird. Bei den anderen drei Personen
muss das Herz für das gleiche Blutvolumen im gleichen Zeitraum häufiger schlagen. Daher ist Julia die
am wenigsten trainierte Person. Patrick und Nadja
sind etwa gleich gut trainiert. Beim Sitzen erholt
sich der Körper. Es wird nicht mehr so viel Sauer-
90
stoff benötigt, da die Skelettmuskulatur nun nicht
mehr stark beansprucht wird. Bei allen vier Personen sinkt der Herzschlag pro Minute. Dass Dennis
als gut trainierte Person schnell wieder eine sehr
geringe Pulsfrequenz aufweist, liegt an der guten
Sauerstoffversorgung durch die hohe Blutmenge,
die das größere und kräftigere Herz pumpt. Dennis
erholt sich deshalb am schnellsten von körperlicher
Anstrengung.
9.6Zusammenwirken von Organen bei
körperlicher Anstrengung
Wirkungen von regelmäßigem
­Training
Abb. 1
Atmung und Herztätigkeit bei
­körperlicher Anstrengung
2.
Durchblutung der Organe in Ruhe
und bei körperlicher Anstrengung
1.
Veränderungen der Arbeitsschwere
und der Nährstoffaufnahme
3.
1.
Abb. 1, 3, 4
Abb. 2
Abb. 5
Bei körperlicher Anstrengung nimmt die Durchblutung des Herzens und der Herzkranzgefäße sehr stark
zu: im Vergleich zur Ruhe steigt sie auf das Vierfache
an (Herz: von 6 auf 24 l/min, Herzkranzgefäße: von
250 auf 1000 ml/min). Auch die Durchblutung der
Muskeln nimmt deutlich zu. Dagegen sinkt bei körperlicher Anstrengung die Durchblutung der inneren Organe deutlich ab: von 3100 ml/min auf 600 ml/
min. Die Durchblutung des Gehirns, der Haut und
der Skelettknochen ändert sich nicht, sondern bleibt
unabhängig von Ruhe oder Anstrengung konstant.
Die Veränderungen der Durchblutung der Körperorgane sind eine kurzfristige Anpassung an den bei
Anstrengung erhöhten Energiebedarf. Um Energie
aus der Zellatmung zu gewinnen, benötigen die
Zellen Nährstoffe und Sauerstoff. Durch die erhöhte
Durchblutung werden der Sauerstoff und die Nährstoffe über das Blut schnell zu den Körperteilen
transportiert, deren Stoffwechselintensität stark zunimmt: das Herz schlägt stark und schnell, die Frequenz der Muskelkontraktionen steigt pro Zeiteinheit. Die Stoffwechselintensität der inneren Organe
wie z. B. der Verdauungsorgane sinkt während der
körperlichen Anstrengung. Bei einer langfristigen
Belastung muss eine ausreichende Versorgung auch
der inneren Organe gewährleistet sein, da diese z. B.
die benötigten Stoffe herstellen und bereitstellen.
2.
a)
–Herzgewicht (g): Absolutes Gewicht des Herzens
–Herzgewicht (g/kg Körpergewicht): Gewicht des
Herzens im Verhältnis zum Körpergewicht
–Blutvolumen (l): Volumen des gesamten Blutes
im Körper
–Herzfrequenz (1/min): Anzahl der Herzschläge
pro Minute
–Schlagvolumen des Herzens (ml): Volumen des
Blutes, das bei einem Herzschlag gepumpt wird
–Herzzeitvolumen (l/min): Volumen des Blutes,
das pro Minute durch das Herz gepumpt wird
–Atemzeitvolumen (l/min): Volumen der Luft, die
pro Minute eingeatmet wird
91
b) Das Herzgewicht ist beim Ausdauersportler wesentlich größer als beim Nichtsportler, und zwar
sowohl bezüglich der absoluten Werte als auch bezogen auf das Körpergewicht. Das Blutvolumen des
Körpers ist bei Nichtsportler und Ausdauersportler relativ ähnlich. Große Unterschiede zeigen sich
in der Herzfrequenz: Die Ruhe-Herzfrequenz liegt
beim Nichtsportler bei 80, beim Ausdauersportler
ist sie nur halb so hoch bei 40/min. Die maximale
Herzfrequenz ist bei beiden 180/Minute. Die niedrige Ruhe-Herzfrequenz beim Ausdauersportler ist
verbunden mit einer starken Erhöhung des Schlagvolumens, das doppelt so groß ist wie beim Nichtsportler. Das Herz des Ausdauersportlers schlägt
also in Ruhe halb so oft, pumpt bei jedem Schlag
aber doppelt so viel Blut wie das des Nichtsportlers.
Bezogen auf das Herzzeitvolumen haben beide daher dieselben Werte (5,6 l/min). Da das SportlerHerz aber auch bei maximaler Frequenz mehr Blut
pumpt, ist dann das Herzzeitvolumen sehr hoch
(35 l/min beim Sportler gegenüber 18 l/min beim
Nichtsportler). Das Atemzeitvolumen beider liegt
in Ruhe bei 8 l/min, kann beim Sportler aber einen
doppelt so hohen Maximalwert erreichen wie beim
Nichtsportler.
Die Veränderungen beim Ausdauersportler gegenüber dem Nichtsportler stellen langfristige Anpassungen an die Erfordernisse bei körperlicher
­Anstrengung dar: Das Herz ist durch seine Größe
und sein Schlagvolumen sehr effektiv und schlägt
in Ruhe viel weniger oft. Bei Anstrengung kann es
durch seine Effizienz bei hoher Schlagfrequenz eine
sehr große Menge Blut pumpen, das Sauerstoff und
Nährstoffe zu den Muskelzellen transportiert, die in
der Zellatmung diese Stoffe zur Energiegewinnung
nutzen. Für die schnelle Sauerstoffzufuhr kann
auch die Atmung bei Bedarf gesteigert werden.
92
3.
Abbildung 5a zeigt die Veränderung der Arbeitsschwere von 1982 bis heute. Bis ca. 1925 war die
Arbeit meistens schwer oder mittelschwer, an dritter Stelle kam die Leichtarbeit und die wenigsten
Menschen hatten Schwerstarbeit. Im Laufe der
dann folgenden Jahrzehnte sank die Häufigkeit der
Mittel- bis Schwerstarbeit immer mehr, dagegen
nahm der Anteil der Leichtarbeit enorm zu. Heute haben die allermeisten Menschen Leichtarbeit
und einige Schwer- oder Mittelschwerarbeit, aber
Schwerstarbeit kommt fast gar nicht mehr vor.
Abbildung 5b zeigt den Verlauf des Nährstoffbedarfs und der Nährstoffaufnahme im selben Zeitraum (1882 bis heute). Lagen 1882 Nährstoffbedarf und -aufnahme auf dem gleichen, sehr hohen Niveau (ca. 14 000 kJ pro Person und Tag), so
nahm der Nährstoffbedarf von da an stark ab. Die
Nährstoffaufnahme sank parallel dazu aber nicht
in gleicher Weise, sondern viel weniger. Heute liegt
beispielsweise der Nährstoffbedarf bei nur knapp
über 10 000 kJ, die Nährstoffaufnahme dagegen bei
ca. knapp 13 000 kJ pro Person und Tag.
Die Abnahme des Nährstoffbedarfs ist mit bedingt
durch die Zunahme an Leichtarbeit: Bei nur leichter
körperlicher Arbeit ist der Energie- und damit der
Nährstoffbedarf weit geringer als bei schwerer Arbeit. Im Essverhalten hat man sich daran aber kaum
angepasst, sodass heute bei vielen Menschen die
Nährstoffaufnahme weit über ihrem Nährstoffbedarf
liegt. Dies führt dazu, dass überschüssige Nährstoffe als Fett gespeichert werden, was auf Dauer nicht
gesund ist. Durch körperliche Anstrengung wird der
Energiebedarf des Körpers erhöht, sodass die Diskrepanz zwischen Nährstoffaufnahme und -bedarf
kleiner wird und es nicht zu übermäßiger Fetteinlagerung kommt. Zudem wirkt regelmäßiges Training
u. a. auch positiv auf das Herz-Kreislaufsystem, und
die meisten Menschen fühlen sich besser.
9.7Herz-Kreislauf-Erkrankungen
Risikofaktoren
Beispiel Schlaganfall (Herzinfarkt)
1.
Entstehung von Arteriosklerose
2.
Abb. 1, 2
Abb. 1, 2, 3
Todesursachen: früher und heute
3.
Abb. 4
1.
Durchblutung, Sauerstoffverbrauch und Glucoseumsatz im Gehirn hängen eng zusammen: Wie in Abb. 1
zu sehen, bewirkt die ausbleibende Durchblutung
eines Hirnbereiches bei einem Schlaganfall, dass in
diesem Bereich auch kein Sauerstoff verbraucht werden kann, der ja mit dem Blut zu den Gehirnzellen
transportiert wird und auch kaum Glucose umgesetzt
wird. Die Folge der Durchblutungsstörung ist also
letztlich ein Mangel an nutzbarer Energie für die Zellen, was bis zu ihrem Absterben führen kann.
Im Fall des in Abb. 1 dargestellten Gehirns ist ein
sehr großer Bereich der linken, vorderen Hirnhälfte,
vom Schlaganfall betroffen, wie an der sehr niedrigen Durchblutung zu erkennen ist. Ursache ist wahrscheinlich die Verstopfung eines wichtigen Blutge­
fäßes, das diesen großen Teil des Gehirns versorgt.
2.
a)
Schädigung der Gefäßwand
(z. B. durch Rauchen, hohen Blutdruck und LDL)
↓
Einlagerung von Blutfetten
↓
Entzündung der Gefäßwand,
weiße Blutzellen dringen ein
↓
Verengung des Gefäßes durch Plaque-Bildung
↓
Entstehung von Blutgerinnseln
nach plötzlichem Aufreißen der Plaques
b) Bluthochdruck bewirkt eine Vorschädigung der
Gefäßwand, die die Einlagerung von Blutfetten,
Entzündungen und Plaque-Bildung begünstigt.
Auch das Aufreißen der Plaques könnte bei hohem
Blutdruck schneller stattfinden und dann eventuell
zur Bildung eines großen, lebensgefährlichen Blutgerinnsels führen.
Rauchen ist neben hohem Blutdruck an der Schädigung der Gefäßwand direkt beteiligt. Außerdem
führt es zur Verengung der Gefäße, in der Folge zu
Bluthochdruck und damit zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass Plaques aufreißen und sich ein
Blutgerinnsel bildet.
3.
Todesfälle durch Krankheiten des Kreislaufsystems:
393779/841560 = 0,4679, also 46,79 %
Todesfälle durch Krebs:
210043/841560 = 0,2496, also 24,96 %
4.
Im Jahr 1900 waren die hygienischen Bedingungen und die medizinische Versorgung wesentlich
schlechter als heute. Vor allem kannte man noch
keine wirksamen Antibiotika (Entdeckung des Penicillins 1928), um schwere bakterielle Infekte wie
die Lungenentzündung zu bekämpfen. Weiterhin
begünstigten die Lebensbedingungen vieler Menschen (z. B. mangelhafte Heizung, Kleidung und
vitaminarme Ernährung im Winter) Krankheiten
wie die Lungenentzündung.
Auch Tuberkulose wird durch Bakterien hervorgerufen und kann daher heute mithilfe von Antibiotika besser behandelt werden. Entscheidend ist auch,
dass heute in Deutschland die Tuberkulose schon
früh erkannt und behandelt werden kann und sich
daher weniger schnell verbreiten kann. Früher gab
es große Tuberkulose-Epidemien, vor allem in Städten, da sich diese Krankheit sehr schnell über Tröpfcheninfektion verbreitete.
93
M
Risiko und Wahrscheinlichkeit
1.
– Absolute Häufigkeit: Häufigkeit, mit der ein Ereignis eintritt
–Relative Häufigkeit: Häufigkeit, mit der ein bestimmtes Ereignis eintritt, bezogen auf die Gesamtzahl der Ereignisse
–Wahrscheinlichkeit: möglichst gute Vorhersage
der relativen Häufigkeit
–Risiko: Wahrscheinlichkeit, mit der ein negativ
bewertetes Ereignis eintritt
–subjektive Risikowahrnehmung: subjektive, von
persönlichen Erfahrungen und Gefühlen getragene Einschätzung der Wahrscheinlichkeit, mit der
ein negatives Ereignis eintritt
2.
100 % bezeichnen die Gesamtheit aller (registrierten)
Verletzungen. Verschiedene Verletzungen treten mit
unterschiedlicher relativer Häufigkeit auf, sodass es
unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten für Verletzungen an verschiedenen Körperteilen gibt:
Kopf, Hals: 16 % → Wahrscheinlichkeit von 0,16
Hand, Unterarm, Ellenbogen: 32 % → Wahrscheinlichkeit von 0,32
Knie, Fuß, Unterschenkel: 26 % → Wahrscheinlichkeit von 0,26
Rumpf, Becken: 11 % → Wahrscheinlichkeit von 0,11
Sonstige: 15 % → Wahrscheinlichkeit von 0,15
3.
Beispiele:
1) Risiko des Zigaretten-Rauchens (wenn man
selbst Raucher ist); Risiko, bei Tätigkeiten im Haushalt einen Unfall zu erleiden. Risiko, im Straßenverkehr einen Unfall zu erleiden.
2) Risiko, durch ein Naturereignis (z. B. Blitz, Gewitter, Sturm) körperlich zu Schaden zu kommen
3) Wer sich informiert hat, weiß, dass das Risiko, im
Laufe eines Jahres vom Blitz erschlagen zu werden,
über 100-fach kleiner ist, als das Risiko, im Laufe
eines Jahres an einer Fischgräte zu ersticken. (Nach
Krämer, 2001, sterben etwa 800 Personen jährlich
an Fischgräten).
4) Wenn bei einem Nachbarn eingebrochen wurde,
steigt die Angst vor einem Einbruch im eigenen Haus.
94
Wenn in der Nähe ein Zug entgleist ist und in der
Presse mit Text und Bild über schreckliche Verletzungen berichtet wurde, wird das Risiko des Bahnfahrens danach überschätzt.
5) Nach einem selbst erlittenen Autounfall wird das
Risiko des Autofahrens höher eingeschätzt als zuvor.
Nachdem das Fahrrad gestohlen wurde, wird von
dem Betroffenen das Risiko eines Fahrraddiebstahls
höher eingeschätzt.
4.
a) Beispiele:
–Für rauchende Männer im Alter von 60 Jahren,
die einen (systolischen) Blutdruck von 140 mmHg
haben und 270 mg Cholesterin im Blut, ist die
Wahrscheinlichkeit, in den nächsten 10 Jahren
einen Herzinfarkt zu bekommen, 10-14 %.
–Für nicht rauchende Frauen im Alter von 40 Jahren, die einen Blutdruck von 120 mmHg haben
und 190 mg Cholesterin im Blut, ist die Wahrscheinlichkeit, in den nächsten 10 Jahren einen
Herzinfarkt zu bekommen, kleiner als 1 %.
–Für rauchende Frauen im Alter von 55 Jahren,
die einen Blutdruck von 180 mmHg haben und
150 mg Cholesterin im Blut, ist die Wahrscheinlichkeit, in den nächsten 10 Jahren einen Herzinfarkt zu bekommen, 3-4 %.
b) Die Wahrscheinlichkeit, einen Herzinfarkt zu erleiden, steigt bei hohem Blutdruck, hohen Cholesterinwerten, durch Rauchen und mit zunehmendem
Alter. Generell treten bei Männern häufiger Herzinfarkte auf als bei Frauen. Kommen alle Risikofaktoren zusammen, ist das Risiko besonders hoch
(extrem: Kästchen ganz rechts oben, rauchender
65 jähriger Mann mit hohen Blutruck- und Cholesterinwerten). Aber auch schon die Kombination
zweier Risikofaktoren, z. B. hoher Blutdruck und
hohe Cholesterinwerte erhöhen das Risiko eines
Herzinfarktes deutlich, unabhängig von Alter und
Rauchverhalten (in jedem Kasten nimmt das Risiko
von unten links nach oben rechts zu). Auch nur ein
Faktor, z. B. ob man raucht oder nicht, verändert das
Herzinfarktrisiko: Die Spalten für Raucher zeigen
insgesamt ein größeres Risiko als die Spalten für
Nichtraucher. Ein sehr geringes Herzinfarktrisiko
besteht für jüngere Menschen, vor allem Frauen,
die nicht rauchen und normal bis mittlere Blutdruck- und Cholesterinwerte haben.
B
c) Die Tabelle verdeutlicht: Zur Vorbeugung eines
Herzinfarktes ist es wichtig, nicht zu rauchen und
regelmäßig die Blutdruck und Cholesterinwerte zu
kontrollieren, um hohe Werte zu erkennen und
eventuell medikamentös behandeln zu können.
Wiederholen mit Basiskonzepten
1. Struktur und Funktion
Mit ihrem Bau sind Lebewesen an bestimmte Funktionen angepasst. Die Aufnahme von Sauerstoff aus
der Lunge in das Blut und die Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in die Lunge kann durch
die Oberflächenvergrößerung wirkungsvoll in den
wenigen Sekunden zwischen Ein- und Ausatmen
erfolgen.
2. Stoff- und Energieumwandlung
Lebewesen bestehen aus Stoffen, vor allem aus
Wasser und Kohlenstoffverbindungen. Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen nennt
man Stoffwechsel. An der Umwandlung von Stoffen
im Körper sind Enzyme beteiligt. Für alle Lebensvorgänge ist Energie notwendig. Lebewesen können
bestimmte Formen von Energie in andere Formen
umwandeln.
3. Stoff- und Energieumwandlung
Lebewesen sind Energiewandler. Sie können bestimmte Formen von Energie in andere Formen
umwandeln.
4. Stoff- und Energieumwandlung
Für die meisten Lebewesen ist die Energie aus der
Zellatmung die Grundlage aller Lebensvorgänge.
Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen nennt man Stoffwechsel. An der Umwandlung
von Stoffen im Körper sind Enzyme beteiligt. Beim
enzymatischen Abbau von Kohlenhydraten entsteht
Glucose als Ausgangsstoff für die Zellatmung.
5.Stoff- und Energieumwandlung, Struktur und
Funktion
Die Aufnahme, Umwandlung und Abgabe von Stoffen nennt man Stoffwechsel. An der Umwandlung
von Stoffen im Körper sind Enzyme beteiligt. Enzymmoleküle funktionieren nach dem SchlüsselSchloss-Prinzip. Sie beschleunigen Reaktionen,
­ohne sich selbst dadurch zu verändern und sind an
ganz bestimmte Funktionen im Körper angepasst.
6. Kompartimentierung, Struktur und Funktion
Unter Kompartimentierung versteht man eine
räumliche Aufteilung, zum Beispiel verschiedener
Aufgaben in einem Organismus. Die Struktur des
Dünndarms erhält durch Falten, Zotten und Zellausstülpungen eine riesige Oberfläche. Die Vorgänge der Resorption der verdauten Nährstoffe ins Blut
und in die Lymphe können gleichzeitig ablaufen
ohne sich gegenseitig zu stören.
7.Variabilität und Angepasstheit, Struktur und
Funktion
Alle Lebewesen besitzen Merkmale, die durch natürliche Auslese entstanden und genetisch festgelegt sind. Man nennt sie Angepasstheiten. Das Blut
enthält spezialisierte Zellen mit bestimmten Funktionen beim Sauerstofftransport, der Immunabwehr
und der Blutgerinnung.
8. Struktur und Funktion
Rote Blutzellen enthalten viele Hämoglobinmoleküle. Diese haben eine Struktur, die es begünstigt,
in den Lungenkapillaren Sauerstoff zu binden und
in den Körperkapillaren abzugeben. Durch Hämoglobin in den Roten Blutzellen kann das Blut viel
Sauerstoff transportieren. Kohlenstoffmonooxid
verhindert schon in geringen Konzentrationen, dass
95
Hämoglobin in der Lunge vollständig mit Sauerstoff
beladen wird. Dadurch wird der Sauerstofftransport
zu den Zellen beeinträchtigt.
9. Stoff- und Energieumwandlung, Information
und Verständigung, Steuerung und Regelung
Muskelaktivität erfordert Energie. Diese wird durch
die Umwandlungsprozesse der Zellatmung bereitgestellt. Gesteigerte Muskelaktivität erfordert mehr
Energie und damit eine höhere Umwandlungsrate. Die Zellen benötigen mehr Nährstoffe und die
Mitochondrien mehr Sauerstoff. Innerhalb des Organismus wird diese Information weitergegeben.
Steuerungs- und Regelungsprozesse sorgen dafür
dass sich der Körper anpasst, indem die Häufigkeit
von Atmung und Herzschlag steigt. So wird mehr
Sauerstoff pro Zeiteinheit in das Blut aufgenommen
und mehr Blut und damit Sauerstoff in die Gewebe
transportiert.
10.Steuerung und Regelung, Struktur und F
­ unktion,
Kompartimentierung
Viele Zustände im Körper eines Lebewesens werden gesteuert oder geregelt. Dadurch reagiert der
Körper auf Veränderungen und kann Bedingungen
im Körper stabil halten. Die erhöhte Häufigkeit des
Herzschlages bei körperlichen Anstrengungen eines
Menschen ist ein Beispiel für Regulation. Die Kompartimentierung ermöglicht die räumliche Aufteilung verschiedener Funktionen im Organismus. Die
unterschiedlichsten Funktionen sind miteinander
verknüpft und können gleichzeitig ablaufen ohne
sich gegenseitig zu stören.
96
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